Phénomènes en lumière blanche

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Auteur(s)

Michel HENRY : Agrégé de Physique - Maître-assistant à l’Université Pierre-et-Marie-Curie (Paris VI)

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INTRODUCTION

L’approximation de l’optique géométrique (article Optiques géométriques Optique géométrique ) permet d’expliquer simplement les phénomènes liés à la propagation de la lumière, tant que les dimensions des obstacles sont grandes devant la longueur d’onde. Lorsqu’il n’en est plus ainsi, il convient d’utiliser une approximation plus fine, le modèle ondulatoire. Rappelons que ce modèle ne permet pas d’étudier l’aspect quantique qui se manifeste entre autres dans l’effet photoélectrique.

L’histoire des modèles de la lumière est celle d’une longue lutte entre les tenants du modèle particulaire, ou théorie de l’émission, et ceux du modèle ondulatoire. Imaginé par Huyghens, ce modèle ne devait se développer qu’à la suite des travaux de Fresnel, qui élabora le premier une explication cohérente des phénomènes d’interférence et de diffraction : la lumière se révélait capable de contourner des obstacles, preuve qu’il s’agissait bien d’une onde.

Le présent article montre comment le modèle ondulatoire permet de prévoir et d’interpréter ces phénomènes d’interférences et de diffraction. La polarisation, quant à elle, fait intervenir l’orientation du vecteur vibration.

Pour les applications, on se reportera à la rubrique Optique du traité Mesures et Contrôle. Nous ne décrirons ici qu’à titre d’exemple quelques modèles d’interféromètres parmi les plus utilisés (interféromètres de Michelson et de Fabry-Pérot, interféromètres à polarisation).

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-a191

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4. Phénomènes en lumière blanche

Jusqu’ici, nous avons admis que la lumière utilisée était monochromatique de longueur d’onde λ.

Lorsque la lumière incidente comporte plusieurs radiations de longueurs d’onde différentes, le phénomène observé résulte de la superposition en intensité des figures dues à chacune des radiations. Ceci est un point absolument fondamental, et qui doit toujours être gardé en mémoire : deux vibrations lumineuses de fréquences différentes ne peuvent pas interférer.

Par ailleurs, de nombreuses propriétés des milieux transparents varient avec la longueur d’onde, en particulier l’indice de réfraction (ou les indices, si le milieu est biréfringent). Toutefois ces variations sont faibles, et nous pouvons les négliger, en première approximation.

Le facteur important ici est que la position des maximums et des minimums d’intensité dépend du rapport entre la différence de marche et la longueur d’onde. À différence de marche constante, la position des maximums d’intensité (des franges brillantes) varie avec la longueur d’onde. Les systèmes interférentiels réalisent donc une séparation des radiations monochromatiques constituant la lumière.

Une première application de ces systèmes est leur utilisation comme disperseurs en spectrométrie (article spécialisé Optique quantitative. Photométrie. Colorimétrie. Spectrométrie [A 192] dans le présent traité). C’est le cas des réseaux, par exemple, où la relation a sin θ_k = k λ montre qu’à deux radiations de longueurs d’onde λ₁ et λ₂ correspondent deux directions θ_{k 1} et θ_{k 2} , sauf si k = 0 auquel cas on a θ_k = 0 pour tout λ.

Cela nous conduit à une seconde application : il se peut que, dans une direction déterminée, certaines radiations soient mieux transmises que d’autres, l’interférence étant constructive pour les premières, et destructive pour les secondes. On observe alors, dans cette direction, une couleur dont la teinte dépend des radiations éteintes et transmises.

L’exemple le plus simple est fourni par les lames cristallines. L’intensité transmise est donnée par la relation ...

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