Préambule : L'optique à travers les âges
Les premiers âges de l’optique datent de l’antiquité. Quelques faits marquants :
- Avant JC :
- Le terme miroir fut mentionné dans l’Exode 38 :8, 1200 ans avant JC. A cette époque, les miroirs étaient faits de métaux. Il y est fait état de la fusion des miroirs des femmes pour réaliser des bassins cérémoniels.
- Des fouilles effectuées dans la vallée du Nil permirent de découvrir des miroirs fait de cuivre ou de bronze ou de speculum qui est un alliage de cuivre riche en étain.
- C'est à Ninive, ancienne capitale de l'empire assyrien, qu'au 19eme siècle, Sir Austen Henry Layard découvre les premiers verres lentiformes, dans des couches datant de 4 000 ans avant notre ère.
- Les premières mentions sans équivoque de l'utilisation d’une lentille proviennent de la Grèce antique. Aristophane évoque notamment dans sa pièce Les Nuées, écrite en 423 av. J.-C., un « verre à feu » (une lentille convexe utilisée pour produire du feu en focalisant le rayonnement solaire).
- L’idée de la propagation rectiligne de la lumière ainsi que la loi de la réflexion de la lumière furent énoncées par Euclide 300 ans avant JC dans son ouvrage intitulé Catoptrique.
- Après JC :
- La coupure apparente des objets à moitié immergés dans l’eau (réfraction) est mentionnée dans l’ouvrage de Platon La République.
- Claude Ptolémée (130 ans après JC) établit une correspondance assez précise entre les angles d’incidence et les angles de réfraction pour plusieurs milieux.
- Les écrits de Pline l'Ancien (23-79) montrent également que les lentilles étaient connues dans l’Empire romain. Ils mentionnent ce qui peut être interprété comme la première utilisation d’une lentille pour corriger la vue en décrivant l’utilisation que fait Néron d’une émeraude de forme convexe lors des spectacles de gladiateurs (probablement pour corriger une myopie). Sénèque (3 av. J.-C. - 65) décrit l’effet grossissant d’un globe en verre rempli d’eau.
- Plusieurs sphères de verre et de cristal ont été retrouvées dans les ruines romaines et une lentille plan-convexe a été mise à jour à Pompéi.
- Le mathématicien, philosophe et physicien d’origine perse Alhazen (Abu Ali Al Hassan : 965-1040), en 1000 après JC, améliora la formulation de la loi de la réflexion en précisant que les rayons incident et réfléchi appartiennent à un même plan, perpendiculaire à l’interface. Il étudia aussi les miroirs sphériques et paraboliques et donna une description détaillée de l’œil humain.
- Le savant anglais Roger Bacon (1215-1294, il a repris les travaux d’Alhazen) fut le premier à avoir l’idée d’utiliser des verres pour corriger la vision. C’est à son époque que les alchimistes ont mis au point un mélange fait de liquide de mercure et d’étain qui déposé sur la face arrière d’un verre plan permet de réaliser un miroir.
- En 1608 le lunettier hollandais Hans Lippershey (1585, 1679) déposa une demande de brevet pour la lunette d’observation (astronomie) même si on ne peut pas affirmer qu’il en est le véritable inventeur. A Padou (Italie), Galileo Galilée (1564, 1642) qui entendit parler de l’invention fabriqua à la main son propre instrument.
- Le hollandais Zacharias Janssen (1588-1632) fut l’inventeur du microscope composé.
- En 1611, l’allemand Johannes Kepler (1571-1630) publia Dioptrice où décrivant le phénomène de réflexion totale et avait abouti à la loi de la réfraction pour laquelle les angles d’incidence et de réfraction sont proportionnels, dans l’approximation des petits angles.
- En 1621 le néerlandais Willebrord Snell (1591-1626) découvrit empiriquement la loi de la réfraction généralisée en expliquant précisément comment les rayons lumineux étaient redirigés en traversant la frontière entre deux milieux.
- René Descartes (1596-1650) fut le premier à publier la formulation de la loi de Snell en termes de sinus.
- Pierre Fermat (1601-1665) fit résulter la loi de la réflexion du principe de temps minimal qu’il avait lui-même établi en 1657.
- Le phénomène de diffraction fut observé pour la première fois par l’italien Francesco Maria Grimaldi (1618-1663).
- Rober Hooke (1635-1703) fut le premier à étudier les interférences colorées en 1665 réalisées avec des lames minces.
- Isaac Newton (1642-1727) entreprit à 23 ans son expérience sur la dispersion de la lumière. Il en conclut que la lumière blanche est composée d’un mélange d’une certaine gamme de couleurs indépendantes. Il estima que ce sont les corpuscules associés aux différentes couleurs qui excitaient l’éther suivant des vibrations caractéristiques. Il fut ainsi le père de la théorie corpusculaire de la lumière. En 1668 Newton réalisa le premier télescope à réflexion qui permettait des grossissements de 30.
- Christian Huygens (1629-1695), père de la théorie ondulatoire de la lumière, fut capable de dériver les lois de la réflexion et de la réfraction du concept ondulatoire. Il expliqua également la double réfraction de la calcite et découvrit le phénomène de polarisation de la lumière.
- L’aspect fini de la vitesse de la lumière fut déterminé par l’astronome danois Ole Christensen Römer (1644-1710) en étudiant les éclipses de Io, satellite le plus proche de la planète Jupiter.
- En 1802 l’anglais William Hyde Wollaston (1766-1828) identifia les bandes sombres du spectre solaire.
- L’allemand Joseph Von Fraunhofer (1787-1826) découvrit la raie double du sodium et réalisa les premières déterminations des longueurs d’onde en utilisant les réseaux de diffraction.
- Les allemands Gustav Robert Kirchhoff (1827-1884) et Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) établirent en spectroscopie que chaque type d’atome avait sa signature qui lui était propre correspondant à un motif caractéristique de raies spectrales.
- La théorie ondulatoire de la lumière fut portée au premier plan par le savant Thomas Young (1777-1829) et le physicien français Augustin Jean Fresnel (1788-1827).
- La première détermination terrestre de la vitesse de la lumière fut établie par le français Armand Hyppolite Louis Fizeau (1819-1896) en 1849 en utilisant une roue dentée rotative et un miroir éloigné de 8633 m, il calcula une vitesse de 315 300 km/s.
- L’anglais Michael Faraday (1791-1867) établit en 1845 le premier lien entre l’électromagnétisme et la lumière.
- James Clerk Maxwell (1831-1879) condensait le travail expérimental de physiciens comme Gauss, Faraday, Ampère, Coulomb sous forme d’équations mathématiques. Il montra également que le champ électromagnétique se propage de manière transversale dans un milieu appelé éther. Cherchant à déterminer théoriquement la vitesse des ondes électromagnétiques, il arriva à l’expression :
Lorsqu’il substitua les valeurs de ces paramètres il obtint un résultat égal à la valeur connue de la vitesse de la lumière concluant ainsi que la lumière est une onde électromagnétique. - Le physicien américain Albert Abraham Michelson (1852-1931) et le chimiste Edwards Williams Morley (1838-1923) mirent au point un protocole expérimental pour évaluer l’effet du mouvement de la terre à travers l’éther. Ils publièrent leurs résultats en 1887 qui furent négatifs. L’existence de l’éther n’est pas prouvée.
- En 1905, Albert Einstein (1879-1955) divulgua sa théorie de la relativité restreinte dans laquelle il rejetait l’existence et l’utilité de la théorie de l’éther.
- En 1900 l’allemand Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) présentait les débuts de la mécanique quantique. Par la suite les contributions des allemands Max Born (1882-1970) et Werner Heisenberg (1901-1976), du danois Niels Henrik David Bohr (1885-1962), des autrichiens Erwin Schrödinger (1887-1961) et Wolfgang Pauli (1900-1958), du français Louis Victor de Broglie (1892-1987) et du britannique Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984) firent de la mécanique quantique une théorie solide basée sur la dualité onde-corpuscule et l’apparition du concept de photon.
- A partir des années 50, les techniques mathématiques, notamment l’analyse de Fourier ont permis l’introduction de nouveaux concepts tels que l’analyse des images, les fonctions de transferts, le filtrage spatial etc.
- Les progrès de l’informatique sont à l’origine des améliorations notables dans le calcul et la réalisation des systèmes optiques : les lentilles asphériques, le polissage par bombardement d’ions, les traitements de surface (les antireflets par exemple).
- Les fibres optiques sont devenues incontournables dans le domaine de la télécommunication alors que les couches minces continuent d’être étudiées en tant que guide de lumière.
- L’optique connait une grande avancée grâce à l’avènement du LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Le premier laser fut construit en 1960 et depuis la gamme de longueur d’onde disponible s’est considérablement élargies allant de l’infrarouge à l’ultraviolet. Les lasers sont aujourd’hui utilisés partout : CD, DVD, découpage de l’acier dans l’industrie, lecture de codes-barres, scalpel de haute technologie dans la chirurgie.
- Des milliers de systèmes optiques pour la visualisation circulent actuellement dans le monde entier : écrans d’ordinateurs, de montres, de calculatrices, de téléphones portables.
- L’holographie (procédé de reconstruction du front d’onde : enregistrement de la phase et de l’amplitude de l’onde diffracté par un objet) qui permet d’obtenir de magnifiques images 3D, sert de nos jours dans de nombreuses applications : analyses non destructives, stockage de données.
Last modified: Tuesday, 30 December 2014, 7:10 PM