Les grandeurs optiques et leur mesure

S’il est vrai que l’astronomie est la plus ancienne des sciences, alors l’optique a fourni les premiers de tous les instruments de mesure : gnomons, astrolabes, quadrants et autres appareils permettant de repérer les positions des étoiles sont les ancêtres d’une longue lignée d’appareils, dont le champ d’action s’est progressivement élargi à la quasi-totalité des activités humaines.

Nous verrons plus en détail, dans les paragraphes suivants, le rôle joué par la métrologie optique tant en recherche que dans l’industrie, mais nous rappelons, dès à présent, en quelques exemples l’influence exercée par l’optique sur le développement de nos connaissances, ainsi que les liens étroits qu’elle a toujours entretenus avec les autres sciences.

À tout seigneur tout honneur : l’étude de la lumière nous provenant des astres a longtemps constitué notre seule source de renseignements, tant sur leur mouvement que sur leur constitution. De ces premières observations découlent directement nos premières mesures du temps et, en particulier, nos calendriers. De nos jours encore, nos théories cosmogoniques évoluent au rythme des observations optiques, puisque l’exploration par l’homme – ou ses robots – ne dépasse pas les astres les plus proches de la Terre. C’est encore à l’optique que nous devrons, si la nouvelle est confirmée, la découverte de la première planète d’un système extra-solaire.

Dans un domaine voisin, c’est l’étude de la lumière qui a ouvert la porte aux deux théories majeures de la physique : relativité et mécanique quantique.

L’échec de toutes les tentatives de mise en évidence des variations de vitesse de la lumière liées au mouvement de la Terre a conduit Lorentz, Poincaré, puis Einstein à donner une nouvelle expression du vieux principe de relativité formulé par Galilée.

La notion de quantum, introduite à son corps défendant par Planck pour expliquer comment est répartie l’énergie dans le spectre de la lumière émise par un corps incandescent, se révèle grosse de toutes nos conceptions actuelles sur la structure et le comportement de la matière.

Devons-nous aussi rappeler l’apport décisif fourni par la mise au point du microscope – contemporain de la lunette astronomique – à la révolution scientifique du XVII ^e siècle ? Les observations de Leuwenhoek et de Boyle révèlent l’existence d’« animalcules » inconnus parce qu’invisibles à l’œil nu. Elles ouvrent la porte à l’immense domaine de la biologie et des sciences de la Terre. Pendant près de quatre siècles, biologistes, médecins mais aussi géologues et métallurgistes n’auront pas d’autre aide pour améliorer leur connaissance de l’infiniment petit. Par un curieux retour des choses, la recherche de performances toujours plus élaborées va affiner nos idées sur l’un des concepts fondamentaux de l’optique, la formation des images, et conduire ainsi aux théories les plus récentes comme l’optique de Fourier, mère de l’holographie, du vidéodisque et, plus récemment, de l’infinie variété des CD ROM. Sans l’optique, pourrions-nous ouvrir les « autoroutes de l’information » et y circuler aussi aisément ?

Parallèlement, les progrès des connaissances sur la structure de la matière condensée, progrès auxquels l’optique a largement contribué, ont été la source de nouvelles techniques et de nouvelles applications. La montée en puissance des lasers a permis de dépasser l’historique modèle linéaire et d’explorer les interactions non linéaires entre lumière et matière. Leur application la plus immédiate et la plus répandue est la multiplication de fréquence (doublement, triplement), mais les modulateurs acousto-optiques et électro-optiques s’introduisent dans un nombre croissant des appareils que nous jugeons indispensables à notre vie quotidienne.

À l’heure actuelle, la quasi-totalité des expériences d’optique exigent encore un montage complexe, réalisé sur un support antivibrations et maîtrisé par plusieurs spécialistes. Suivant la voie tracée par l’électronique, l’optique a abordé avec succès la miniaturisation et l’intégration de ses fonctions de base : émission, modulation et détection de la lumière. S’il est vrai que l’optique intégrée marque encore le pas, la raison en est plus économique que technique, encore qu’une évolution contraire se dessine nettement depuis peu.

Nous n’aurons garde d’oublier les fibres optiques, permettant de transporter pratiquement sans pertes, éventuellement avec l’appui de l’optique non linéaire, aussi bien des informations sur des milliers de kilomètres que des kilowatts sur quelques mètres, dans la construction mécanique par exemple.

Bien entendu, en optique comme ailleurs, l’ordinateur est devenu l’indispensable Maître Jacques, tant du chercheur que de l’industriel. C’est lui qui gère les expérimentations et en analyse les résultats, c’est lui encore qui pilote le robot soudeur grâce auquel votre prochaine voiture sera plus fiable.

Aux côtés du chercheur ou de l’ingénieur, l’artiste, l’artisan même, font appel à l’optique : la propagation rectiligne de la lumière apporte la même aide au menuisier qui vérifie d’un coup d’œil la justesse de son coup de rabot, à l’arpenteur qui aligne ses jalons et à l’apprenti dessinateur qui estime à l’aide de son pouce les proportions de son sujet.