Les ondes lumineuses

1 Interférence à deux ondes

Le dispositif des trous d’Young est celui qui permet de comprendre le plus simplement le phénomène d’interférences lumineuses à deux ondes. Dans le plan d’observation, on distingue des zones noires, des zones sombres, des zones claires et des zones brillantes. C’est la modulation spatiale de l’intensité lumineuse qui constitue la figure d’interférences. La figure d’interférences peut être organisée de façon rectiligne, en franges, noires ou brillantes, selon leur position dans le plan de l’écran. Une expérience analogue à celle des trous d’Young peut être réalisée avec des ondes sonores.

2 Interprétation ondulatoire

2.1 Notions d'onde progressive

Une grandeur physique qui se propage dépend nécessairement de l’espace et du temps. Si cette grandeur se retrouve en M1 à t1 avec la même valeur que celle qu’elle avait en M0 et à t0, elle se propage à la vitesse :

A toute grandeur propagée, on associe une onde. La grandeur qui se propage dans le cas d’une onde sonore dans l’air est le déplacement des particules matérielles autour de leur position moyenne. On parle d’onde de déplacement ou d’onde de pression.

2.2 La lumière : "onde scalaire"

La lumière peut être représentée par une grandeur scalaire propagée. Si la lumière est monochromatique, la grandeur scalaire vibre de façon sinusoïdale à la pulsation w en un point donné. L’intensité lumineuse perçue par l’œil est proportionnelle au carré de l’amplitude de la vibration scalaire propagée (I = A²). La vibration scalaire lumineuse se propage dans un milieu d’indice n à la vitesse :

c représente la vitesse de propagation de la lumière dans le vide (c = 299 792, 458 km.s-1).

La longueur d’onde de la lumière dans le vide vaut :

T est la période temporelle de la vibration lumineuse.

3 Notions simples sur la cohérence des ondes lumineuses

L’émission lumineuse est un phénomène atomique. Elle se fait par " bouffées " de durée limitée, successives et aléatoires. La durée moyenne t d’une " bouffée " est appelée durée de cohérence du train d’ondes. Le produit l = ct qui se mesure en m est désigné sous le nom de longueur de cohérence des trains d’ondes. Avec les sources lumineuses usuelles, l’ordre de grandeur de t tourne autour de la nanoseconde (ns). Plus t est important, plus l’émission lumineuse est cohérente temporellement.

Pour que deux ondes lumineuses fournissent par interférence une figure contrastée, il faut que les vibrations qui interfèrent au point M soient obtenues par division d’ondes, à partir d’un même train d’ondes primaire, et que la différence de marche entre les deux vibrations au point M n’excède pas la longueur de cohérence du train d’ondes primaire. Dans l’expérience des trous d’Young, ce sont les trous qui assurent la division d’ondes. Les franges d’interférence sont contrastées au voisinage du centre de symétrie de la figure d’interférence (là où la différence de marche est voisine de 0).

4 Domaine des ondes électromagnétiques

La théorie générale de la lumière est une théorie électromagnétique qui met en jeu la propagation dans un milieu matériel, ou mieux dans le vide, d’un champ électrique et d’un champ magnétique. Dans certains cas, le caractère vectoriel de l’onde électromagnétique joue un rôle : la résolution des problèmes de polarisation de la lumière nécessite de tenir compte de cet aspect.

Les vibrations lumineuses sont une partie seulement de l’immense domaine des ondes électromagnétiques. Pour les classer, on raisonne en période T, en fréquence, en longueur d’onde dans le vide ou en énergie. Le spectre visible s’étend en longueur d’onde entre 0,4 mm et 0,8 mm. Le rayonnement IR (infrarouge) se situe à des longueurs d’onde supérieures à 0,8 mm et le rayonnement UV (ultraviolet) a des longueurs d’onde inférieures à 0,4 mm.

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