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Comment se propagent les ondes lumineuses ?
La lumière se propage en ligne droite dans un milieu homogène et transparent. Lorsqu'elle change de milieu de propagation, la lumière peut subir : ? une réflexion (le rayon repart dans le milieu initial) ; ? ou une réfraction (changement de direction de propagation).Quelle est la nature de l'onde lumineuse ?
L'onde lumineuse poss? les propriétés de propagation à la fois d'une onde mécanique et électromagnétique. L'œil humain n'est sensible qu'à certaines fréquences (ou longueur d'onde), celles correspondantes à la lumière du visible. Dans ce domaine, les fréquences sont comprises entre 7,5.1014 Hz et 3,8 .Quelle est la condition de la diffraction des ondes lumineuses ?
Dans le cas de la lumière, le phénomène de diffraction peut avoir lieu dès que la dimension de l'ouverture est du même ordre de grandeur que 100 fois la longueur d'onde. Le phénomène de diffraction est d'autant plus marqué que la dimension de l'ouverture ou de l'obstacle est petite par rapport à la longueur d'onde.- Les ondes lumineuses correspondent à des longueurs d'ondes comprises entre 400 nm (violet) et 800 nm (rouge). Leurs fréquences vont donc de 3,75.1014 à 7,5.1014 Hz. A chaque longueur d'onde correspond une couleur particulière. Le jaune correspond à 580 nm, le vert à 530 nm, le bleu à 470 nm.
COURS DE PHYSIQUE
OPTIQUE ONDULATOIRE
JIMMYROUSSEL2021
femto-physique.fr/optiqueCours d"optique ondulatoire -femto-physique.fr JIMMYROUSSEL, professeur agrégé à l"Ecole Nationale Supérieure de Chimie de
Rennes
Copyright© 2021 Jimmy Roussel
Ce document est sous licenceCreative Commons"Attribution - Pas d"Utilisation Commerciale 3.0 non transposé (CC BY-NC 3.0)».Pour plus d"informations :
cr eativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/ Ce document est réalisé avec l"aide deKOMA-ScriptetL ATEXen utilisant la classe kaobook 1 reédition -Février 2013Version en ligne -femto-physique.fr/optique
PréfaceCe cours d"optique se concentre sur les aspects ondulatoires de la lumière. Un exposé
de la théorie scalaire de la lumière associée au principe d"Huygens-Fresnel permet de décrire très correctement les phénomènes d"interférence et de diffraction. Ce cours est à destination d"étudiants en fin de Licence ou en École d"ingénieurs. Certaines parties peuvent néanmoins intéresser les élèves des CPGE scientifiques. J"ai essayé le plus possible d"illustrer les différentes notions par des exemples ou de simples exercices. Mais pour un entraînement plus poussé, j"invite le lecteur à se procurer l"eBook •Optique ondulatoire - 50 exercices et problèmes corrigés; disponibles à l"adresse payhip.com/femtoJimmy Roussel
Table des matières
Prefaceiii
Table des matières
v1 MODÈLE SCALAIRE DE LA LUMIÈRE
11.1 Nature de la lumière
11.2 Approximation scalaire
61.3 Représentations d"une onde
92 INTERFÉRENCE À DEUX ONDES
132.1 Interférence de deux ondes monochromatiques
132.2 Division du front d"onde
182.3 Division d"amplitude
213 INTERFÉRENCE À N ONDES
313.1 Généralités
313.2 Le réseau de diffraction
333.3 La cavité Fabry-Perot
404 THÉORIE DE LA DIFFRACTION
474.1 Principe d"Huygens-Fresnel
474.2 Diffraction de Fresnel
525 DIFFRACTION DE FRAUNHOFER
595.1 Diffraction en champ lointain
595.2 Formation des images
655.3 Retour sur les interférences
71COMPLÉMENT75
A NOTION DE COHÉRENCE
77A.1 Cohérence temporelle
77A.2 Cohérence spatiale
87Bibliographie
95L"alphabet grec
96Notations
97Grandeurs et constantes physiques
98Table des figures
1.1 Onde plane.
31.2 Structure d"une onde électromagnétique monochromatique plane.
31.3 Spectre électromagnétique.
41.4 approximation scalaire.
61.5 "Aplatissement» des ondes sphériques.
81.6 Vecteurs de Fresnel.
92.1 Influence du facteurWsur la visibilité des franges.. . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Expérience des trous d"Young.
182.3 état ondulatoire et interférogramme dans l"expérience d"Young
192.4 Interférogramme.
202.5 Biprisme de Fresnel.
202.6 Bilentilles de Billet.
212.7 Miroirs de Fresnel.
212.8 Chemin des différents rayons et répartition de l"énergie lumineuse
222.9 Calcul de la différence de marche introduite par une lame à faces parallèles.
222.10 dispositif interférentiel et anneaux d"interférence
232.11 Interférence par une lame d"épaisseur variable.
242.12 Localisation des interférences.
252.13 Micro-goutte de PDMS observé par microscopie interférentielle
252.14 Exemples d"interférence d"égale épaisseur
252.15 Principe de l"interféromètre de Michelson.
262.16 Interféromètre réglé en lame d"air
262.17 Interféromètre réglé en coin d"air
272.18 Calcul de la différence de chemin optique.
282.19 Franges irisées en lumière blanche
282.20 Interféromètre de Twyman-Green.
292.21 Interféromètre de Sagnac
292.22 Interféromètre de Mach-Zehnder.
292.23 Interféromètre LIGO.
303.1 Construction de Fresnel associée la superposition de N ondes en phase
313.2 Construction de Fresnel
323.3 Réseau de fentes.
333.5 Incidence normale.
343.4 Montage sur un goniomètre - vue de dessus.
343.6 Incidence oblique.
353.7 Influence de#sur le terme d"interférence.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.8 Construction de Fresnel correspondant à une interférence destructive
373.9 Principe du monochromateur.
393.10 Réseau blazé.
393.11 Monochromateur à réseau concave (montage de Paschen-Runge).
403.12 Cavité Fabry-Pérot
403.13 Transmission de la cavité Fabry-Pérot en fonction du déphasage.
423.14 Interféromètre de Fabry-Pérot.
434.1 Diffraction par une bille
484.2 Construction d"Huygens relative à la réfraction
484.3 Paramétrisation du problème de diffraction
514.4 Position du problème.
524.5 Intensité lumineuse le long de l"axe d"une pupille circulaire. . . . . . . . . 54
4.6 Paramétrisation du problème.
544.7 Diffractogramme d"une pupille circulaire pour différents rayons
555.1 Paramétrisation du problème de diffraction en champ lointain.
595.2 Conditions d"observation de la diffraction de Fraunhofer
615.3 Dispositif d"observation de la diffraction de Fraunhofer.
625.4 Pupille rectangulaire.
635.5 Graphes de la fonction sinus cardinal et de son carré.
635.6 Pupille diffractante et tache de diffraction
645.7 Diffraction par une fente
655.8 Indicatrice de diffraction
655.9 Équivalence des deux montages.
665.10 Pupille circulaire.
675.11 Profil d"intensité de la tache de diffraction par une pupille circulaire.
685.12 Deux étoiles résolues par l"objectif d"une lunette.
695.13 Critère de séparation de Rayleigh
695.14 Images données par un objectif de microscope.
705.15 Pupille diffractante et distribution de l"intensité lumineuse
735.16 Distribution angulaire de l"intensité diffractée par un réseau de fentes
74A.1 Principe de l"interféromètre de Michelson. 77
A.2 Interférogramme.
78A.3 Interférogramme caractéristique d"un doublet spectral. 80
A.4 Diminution du contraste due au caractère polychromatique de la source. 81
A.5 Profil spectral gaussien.
82A.6 Train d"ondes quasi-harmoniques
83A.7 Interférogramme produit par un train d"ondes aléatoires 85
A.8 Expérience des trous d"Young.
87A.9 Influence du déplacement de la source sur l"interférogramme 88
A.10Dispositif d"Young éclairée par une source étendue. 89
A.11Dispositif de Michelson et Pease
90A.12Source étendue éclairant un interféromètre. 91
A.13Calcul de la variation de chemin optique.
91A.14Surface de localisation pour quelques dispositifs classiques 93
Liste des tableaux
1.1 Quelques indices de réfraction.
53.1 Résolution typique de quelques systèmes dispersifs.
383.2 Amplitude d"une onde après avoir subi quelques rélfexions.
403.3 Résolution d"un Fabry-Pérot avec=4=1cm et_=0-5`m (?=40000).. . . 44
5.1 Les différents niveaux d"approximation.
61A.1 Cohérence de différentes sources.
86MODÈLE SCALAIRE DE LA
LUMIÈRE1
1.1Nature de la lumière
1Propagation dans le vide
2Transport de l"énergie
4Propagation dans un milieu
5 1.2Approximation scalaire
6Théorie scalaire de la lumière
6Chemin optique
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