Le laser

back to basic - par Cécile Michaut dans mensuel n°347 daté novembre 2001 à la page 52 (2858 mots) |
Inventé il y a quarante ans, le laser a investi notre vie quotidienne et le secteur industriel. Lecture d'information, chirurgie, découpe, soudure, guidage et mesures de distance sont autant de domaines d'utilisation de cette lumière organisée. Einstein, qui a découvert le phénomène à l'origine de l'émission laser, aurait-il imaginé en 1917 un tel succès ?

Qu'est-ce que la lumière laser ?
La discipline, dont on dit qu'elle fait la force des armées, fait aussi la spécificité de la lumière laser. En effet, la lumière ordinaire, qu'elle provienne du Soleil ou d'une ampoule à incandescence, se propage dans toutes les directions, et sa décomposition en un arc-en-ciel révèle de multiples ondes lumineuses qui, n'ayant pas été émises en même temps, oscillent de manière indépendante les unes des autres. Contrairement à cette lumière quelque peu anarchique, la lumière laser fait donc preuve d'une discipline remarquable. Elle est, en général, composée d'une seule couleur - on dit qu'elle est monochromatique - et se déplace dans une direction bien précise, formant un faisceau qui diverge très peu. La lumière laser peut ainsi être comparée à une troupe de soldats au pas cadencé, tandis que la lumière classique ressemblerait plus à une foule, où chacun va dans sa direction, avec son propre rythme. Monochromatisme et directivité sont les deux vertus majeures qui ont permis aux lasers de proliférer.

Qui a découvert le principe du laser ?
Le phénomène fondamental a été décrit dès 1917 par Albert Einstein : c'est l'« émission stimulée ». Il ne pouvait être imaginé en dehors du cadre de l'interprétation quantique de la matière et de la lumière : amorcée par Einstein en 1905, cette vision du monde physique permet de considérer la lumière comme une onde ou un ensemble de particules, les photons. Lorsqu'un atome absorbe l'énergie lumineuse apportée par un photon, un de ses électrons passe du niveau d'énergie le plus bas baptisé fondamental à un autre niveau plus élevé dit excité : pour que cette absorption ait lieu, il faut que l'énergie du photon soit rigoureusement égale à la différence d'énergie entre ces deux niveaux. Inversement, lorsqu'un électron « redescend » d'un niveau d'énergie vers un niveau plus bas, l'atome émet un photon dont l'énergie est, là aussi, égale à la différence d'énergie entre les deux niveaux. Ce photon est émis dans une direction aléatoire. Ainsi décrite, l'émission « spontanée » de photons est au coeur de la production de la lumière ordinaire.

Pour qu'il y ait émission « stimulée », il faut qu'un atome se trouve déjà dans un niveau d'énergie excité. S'il rencontre un photon de même énergie que celui qui serait émis spontanément, Einstein a démontré mathématiquement qu'il devait émettre un photon aux caractéristiques strictement identiques à celui qu'il vient de rencontrer : on dispose alors de deux photons de même énergie donc de même longueur d'onde, même direction et même phase. L'atome, quant à lui, a perdu son énergie et retourne à son état fondamental.

Quand le laser a-t-il été mis au point ?
Si le principe a été décrit en 1917, il n'a été mis en oeuvre dans un dispositif expérimental que dans les années 1950 ! Il s'agissait plus précisément d'un maser microwave amplification by stimulated emission of radiation , c'est-à-dire d'un appareil destiné à amplifier, grâce à l'émission stimulée, des ondes dont la longueur d'onde est beaucoup plus petite que la lumière.

Dans un milieu quelconque, les atomes restent très peu de temps dans l'état excité, et, en moyenne, l'immense majorité d'entre eux se trouve dans leur état fondamental. La fréquence des émissions stimulées est alors très faible. Pour tirer profit du principe décrit par Einstein, il faut que la majorité des atomes soit dans un état excité, ce qu'on appelle une inversion de population. Tirant profit des connaissances accumulées sur les radars à partir de la Seconde Guerre mondiale, les Américains Charles Townes, James Gordon et Herbert Zeiger sont parvenus, en 1954, à isoler des molécules d'ammoniac excitées de toutes les autres molécules restées dans l'état fondamental. Une émission maser pouvait ainsi avoir lieu de façon significative et mesurable. Malheureusement, par principe, la séparation des molécules ne permettait pas l'émission continue du rayonnement : lorsque les molécules excitées ont émis leur photon, l'émission s'arrête.

De fait, réaliser une inversion de population sans séparer physiquement les molécules nécessite au moins trois niveaux d'énergie dans l'atome : le niveau fondamental, le niveau excité, et un troisième niveau intermédiaire accessible uniquement à partir du niveau supérieur. Une fois excités, les atomes se désexcitent spontanément vers ce niveau intermédiaire, mais, si la désexcitation depuis le niveau intermédiaire vers le niveau fondamental est peu probable, il apparaît alors une accumulation d'atomes sur ce niveau dit métastable. On a ainsi « pompé » des atomes du niveau fondamental vers le niveau intermédiaire : l'inversion de population est réalisée. Un laser continu doit donc contenir des atomes ou des molécules possédant de tels niveaux d'énergie. En se fondant notamment sur les travaux du physicien français Alfred Kastler prix Nobel de physique en 1966 pour ses recherches sur une technique appelée pompage optique, les physiciens soviétiques Nikolai BasovBassov et Aleksandr Prokhorov ont développé un nouveau type de maser, et ils ont partagé avec Townes le prix Nobel de physique en 1964. A l'époque où ils sont apparus, l'utilité des masers n'avait rien d'évident. Sceptiques, certains collègues de Townes ironisaient même ouvertement sur l'acronyme qui, disaient-ils, ne signifiait rien d'autre que « Means of Acquiring Support for Expensive Research » moyens d'acquérir des fonds pour des recherches coûteuses !

Persévérant, Townes, encore lui, a publié en 1958, en collaboration avec Arthur Schawlow, le principe de réalisation d'un laser, où le « l » de light lumière remplace le « m » de microwave micro-onde. C'est cependant Theodore Maiman qui, le premier, a fabriqué en 1960 le premier dispositif expérimental. A la surprise de nombreux chercheurs, le milieu qu'il a utilisé n'était pas un gaz, mais un solide : un barreau de rubis. Ce laser ne fonctionnait qu'en mode pulsé, mais la même année Peter Sorokin et Mirek Stevenson ont développé un laser à quatre niveaux d'énergie, capable d'émettre un rayonnement en continu. La technologie du laser était née. Restait à trouver ses applications... Aujourd'hui, sa grande polyvalence nous a fait oublier que, longtemps, le laser est resté « une solution en attente d'un problème » !

Quels sont les éléments d'un laser ?
Un laser requiert des atomes ou des molécules excitables, formant le milieu laser, sous forme de solide, de liquide ou de gaz, et une source d'énergie susceptible d'exciter ces constituants. L'émission stimulée peut commencer dès qu'un premier photon de fréquence adéquate est présent dans le milieu. Il provoque alors l'émission d'un autre photon, chacun entraînant encore l'émission d'un photon, et ainsi de suite : c'est l'amplification de la lumière. Pour faire fonctionner ce laser, il faut encore un oscillateur, composé d'un cylindre allongé dont les extrémités sont formées de deux miroirs parallèles. Lorsque des photons sont émis dans la grande direction de ce cylindre voir figure ci-contre, la lumière fait de nombreux allers et retours entre les miroirs, provoquant de nombreuses autres émissions stimulées. L'un des deux miroirs n'est pas totalement réfléchissant. Une petite proportion 1 % ou 2 % de la lumière le traverse, et forme le faisceau laser.

Mais plutôt que de parler du laser, mieux vaut mentionner les lasers, tant ils diffèrent selon l'application à laquelle on les destine. En effet, quoi de commun entre le petit laser de nos platines de compact disques, consommant quelques milliwatts, et ceux utilisés dans les recherches sur la fusion nucléaire, capables d'émettre un rayonnement de plusieurs centaines de milliers de milliards de watts pendant un temps très bref quelques femtosecondes, soit des millionièmes de milliardièmes de seconde ? Et comment passer sous silence la grande largeur du spectre des couleurs des lasers, depuis l'infrarouge jusqu'à l'ultraviolet, voire aux rayons X ?

Dans les années 1970, ont été développés des lasers d'un nouveau type, dits lasers à semi-conducteurs ou diodes lasers. Ces dernières sont assez différentes des lasers classiques. Elles sont formées à la jonction entre deux types de semi-conducteurs baptisés n et p. Les premiers possèdent un excès d'électrons, les seconds un déficit. Lorsque l'on fait passer un courant à travers cette diode, certains électrons se retrouvent au-dessus d'un niveau d'énergie à partir duquel ils peuvent se désexciter. L'inversion de population est obtenue directement par le courant électrique. Ce sont ces diodes lasers qui ont donné un nouvel essor aux applications, notamment en électronique.

Existe-t-il des lasers naturels ?
Dans certaines régions de formation d'étoiles massives, ou de transformation d'étoiles évoluées en étoiles géantes rouges, les conditions sont réunies pour que des émissions de type maser se produisent. Des molécules comme l'eau, le méthanol ou l'oxyde de silicium possèdent en effet des niveaux d'énergie adaptés à une émission stimulée dans le domaine micro-onde. Le pompage est plus facile dans ce domaine que dans le visible car les énergies mises en jeu sont bien plus faibles. Il est provoqué par le rayonnement cosmique, ou par des collisions avec l'élément chimique majoritaire dans l'espace, l'hydrogène. Les masers naturels ne possèdent évidemment pas de cavité résonnante qui, comme celle de nos lasers, serait susceptible d'amplifier le phénomène. Puisqu'il faut suffisamment de molécules ayant subi l'inversion de population, le milieu « inversé » doit posséder une taille minimale. Selon les observations des astronomes, cette taille est de l'ordre de 100 millions à 1 milliard de kilomètres, ce qui est très petit à l'échelle du cosmos la lumière met quelques dizaines à quelques centaines de seconde pour parcourir une telle distance. Parce qu'elle n'est pas spécifiquement amplifiée dans une direction donnée, la lumière des masers cosmiques n'est pas directive, mais les propriétés de monochromatisme sont conservées. Les masers sont facilement observables, car l'atmosphère est transparente aux micro-ondes. Elle est en revanche presque totalement opaque à l'infrarouge. Or, les atmosphères de Mars et de Vénus émettent du rayonnement dans le domaine infrarouge, dû à des molécules de dioxyde de carbone. Voilà pourquoi les astronomes ont dû attendre les télescopes spatiaux pour observer des lasers cosmiques.

Quelle utilisation pour les lasers en médecine ?
Médecins et chercheurs ont perçu très tôt le potentiel du laser. Dès 1961, soit un an après la mise au point du premier laser à rubis, les Américains Charles Koester et Charles Cambell réalisaient la première application thérapeutique sur l'homme, en détruisant la tumeur rétinienne d'un patient à l'aide d'un tel laser. De nombreuses pistes thérapeutiques ont ensuite été explorées, mais seules sont restées celles pour lesquelles il n'existe pas d'alternative au laser. La palme revient incontestablement à l'ophtalmologie : recollement et soins de la rétine, découpe et coagulation des vaisseaux rétiniens, etc. Le laser possède ici un avantage capital : il peut être envoyé à travers l'oeil sans l'abîmer car il est focalisé en un point précis, où il dépose toute sa puissance. De même, en dermatologie, le laser permet de coaguler des vaisseaux sous la peau sans dommage, par exemple pour le traitement des taches de vin. En dentisterie, le laser est particulièrement apprécié pour les opérations provoquant des saignements importants, comme la chirurgie des gencives ou l'orthodontie.

Parallèlement à ces utilisations en thérapeutique, se développent depuis le milieu des années 1980 les applications en diagnostic. La détection précoce des cancers en est l'exemple le plus avancé, validé par de nombreuses études cliniques. Une fibre optique dirigeant un faisceau laser de faible intensité sur les muqueuses provoquera, par exemple, une fluorescence différente si le tissu est cancéreux ou s'il est sain. De même, l'analyse de l'absorption des tissus dans le domaine infrarouge renseigne sur leur oxygénation, avec des applications en cardiologie, pour la surveillance des hémorragies cérébrales, ou encore pour l'analyse des performances des athlètes.

Quelles sont les principales applications des lasers ?
Combien de fois avez-vous utilisé un laser aujourd'hui ? Si vous avez écouté un compact disque, tiré vos documents sur une imprimante laser et fait vos courses dans un supermarché équipé de caisses à code barre, voilà au moins trois circonstances. Les lecteurs de CD contiennent des diodes laser, dont le faisceau interfère avec les reliefs du disque. Il convertit les minuscules creux et bosses du disque en information numérique, qui est ensuite traitée. Le laser est ici utilisé pour la finesse et la directivité du faisceau, ainsi que sa cohérence. Les diodes utilisées aujourd'hui pour ces applications émettent en général dans l'infrarouge. Mais la découverte de diodes émettant dans le bleu fait l'objet de nombreuses recherches : grâce à une longueur d'onde plus courte, la résolution serait plus fine, et la densité d'information augmenterait. En divisant par deux la longueur d'onde, la densité d'informations sur une surface est en effet multipliée par quatre.

L'industrie est aussi grande utilisatrice de lasers. Le faisceau laser est facilement focalisé et concentre une grande énergie sur une toute petite surface. Il est ainsi possible de souder des métaux de manière très efficace car, au-delà d'une certaine énergie atteinte, par exemple, en focalisant un laser de quelques kilowatts de puissance sur une tache d'un dixième de millimètre de largeur, le métal se vaporise localement, et l'énergie est déposée à l'intérieur du métal. Le laser permet de graver, percer ou découper des métaux, mais aussi de découper de nombreuses autres matières, comme le tissu. Il est également utilisé pour le nettoyage de surfaces, notamment dans le domaine de la microélectronique : les surfaces sont recouvertes d'un mince film d'eau, dont la brusque évaporation par le laser entraîne les particules polluantes.

Enfin, la directivité du laser en fait un instrument de choix pour la mesure de distances, et pour guider les machines de travaux publics. Le tunnel sous la Manche a notamment bénéficié du laser, pour contrôler la direction de perçage. La qualité du laser est telle que l'on peut mesurer la distance Terre-Lune avec une précision de quelques millimètres, grâce à un panneau de miroirs déposés sur la Lune lors de la mission Apollo 11 en 1969 : parce que la divergence du laser est très réduite, un faisceau de dix centimètres sur la Terre atteindra la Lune avec une largeur de deux kilomètres seulement. Il suffit de mesurer le temps de trajet aller-retour d'une impulsion laser pour, connaissant la vitesse de la lumière, en déduire la distance.

Plus rapides, plus fins, plus précis : pour paraphraser la devise olympique, les scientifiques développent aujourd'hui des lasers aux impulsions toujours plus brèves, aux raies toujours plus fines donc à la longueur d'onde plus petite, et à la fréquence toujours plus précise. Objectifs principaux : améliorer la gravure par lithographie laser des circuits électroniques, analyser des réactions chimiques, ou augmenter la densité d'information transmise à travers les fibres optiques.

Comment peut-on refroidir avec un laser ?
D'habitude, le laser est associé à la chaleur plutôt qu'au froid : il peut souder des métaux, brûler des cellules biologiques, etc. Il paraît donc totalement contradictoire qu'il serve également à refroidir des atomes. Pourtant, le laser permet d'obtenir des températures extrêmement basses. Comment est-ce possible ? La température est l'expression du mouvement désordonné des atomes dans toutes les directions : plus les atomes bougent vite, plus la température est élevée. Or, les photons peuvent exercer une force sur un atome et le ralentir. Si l'on choisit convenablement la fréquence d'un faisceau laser dirigé contre un jet d'atomes, les atomes absorbent les photons, et subissent un effet de recul. En revanche, les atomes excités réémettent un photon dans n'importe quelle direction et l'effet mécanique moyen de cette désexcitation est nul : les atomes sont ainsi freinés, donc refroidis.

Depuis les premières réalisations, vers 1985, de refroidissements d'atomes par cette méthode, bien d'autres variantes plus efficaces mais plus compliquées ont été inventées, qui ont permis d'atteindre des températures de seulement quelques milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu 10-9 K. Ces travaux, réalisés notamment au laboratoire Kastler Brossel de l'Ecole normale supérieure de Paris, ont valu à Claude Cohen-Tannoudji le prix Nobel de physique en 1997.

Le laser peut-il être une arme ?
Lorsque l'on évoque les « armes laser », surgissent tout de suite les images du film La Guerre des étoiles , dans lequel le héros combat avec une « épée laser ». En fait, une telle arme ne peut pas exister, du moins sous cette forme. Tout d'abord, on ne voit pas un tel faisceau tant qu'il ne frappe aucun obstacle surface, poussière ou fumée dans les spectacles avec laser. De plus, dans le film, l'épée avait une taille d'environ un mètre. Or, un faisceau laser se propage tant qu'il ne rencontre pas d'obstacle : il ne peut donc pas avoir une longueur bien définie.

Cependant, l'idée du rayon laser détruisant l'ennemi n'est plus tout à fait de la science-fiction, mais il est loin d'être au point. L'armée américaine prévoit d'effectuer les premiers essais d'interception, depuis l'espace, de missiles balistiques à l'aide de lasers en 2010. Sur Terre, de telles interceptions sont plus difficilement envisageables : un rayon laser de très forte puissance ne se propage pas très loin dans l'air, car il interagit avec la matière qu'il rencontre molécules de l'air, poussière, vapeur d'eau, etc., et il perd ainsi beaucoup d'énergie. Sans parler des intempéries, qui neutralisent le faisceau.

En revanche, le laser est très utilisé pour le guidage des armes, notamment des missiles. Il permet également de simuler la fusion des bombes à hydrogène, car leur grande puissance très conce

Par Cécile Michaut

  DOCUMENT      larecherche.fr     LIEN

COULEUR
OPTIQUE
La vision des couleurs
Lumière et couleurs
Les synthèses des couleurs
La synthèse additive des couleurs
La synthèse soustractive des couleurs
BEAUX-ARTS
Évolution technique
Diversité des matières
La main du peintre
Un sujet de controverses
Le tournant du xixe s.

Trichromie, synthèse additive
Consulter aussi dans le dictionnaire : couleur
Cet article fait partie du dossier consacré à l'art et du dossier consacré à la lumière.
Sensation résultant de l'impression produite sur l'œil par une lumière émise par une source ; effet obtenu par la combinaison des teintes utilisées dans un tableau.
OPTIQUE

La vision des couleurs

Au sens physiologique du terme, la couleur n'existe qu'en fonction de trois éléments : le système visuel, la lumière émise par une source et le milieu qui les sépare. La rétine humaine comprend trois familles de cellules (cônes), spécialisées chacune dans la détection du vert, du rouge et du bleu (couleurs principales). À partir des signaux issus de ces récepteurs, le cerveau synthétise la perception de couleur. Des anomalies de la perception (contraste successif, temps d'« adaptation chromatique ») témoignent de la complexité du phénomène.
Lumière et couleurs

Comme le montre l'expérience, réalisée par Newton, de la dispersion de la lumière solaire (lumière blanche) par un prisme, le domaine des longueurs d'onde lumineuses visibles s'étend de 390 nanomètres (violet) à 770 nanomètres (rouge). En deçà et au-delà de ces limites se trouvent les rayonnements ultraviolets et infrarouges.
Lorsqu'un corps est éclairé par la lumière solaire, il peut diffuser de la même manière toutes les radiations (sa surface apparaît « blanche »), en absorber certaines et diffuser les autres (sa surface est « colorée ») ou les absorber toutes (sa surface est « noire »). La couleur dépend donc de la manière dont la substance éclairée réagit sous la lumière. Elle naît pratiquement toujours de l'interaction des ondes lumineuses avec les électrons de la substance.
Outre la diffusion et l'absorption, on connaît d'autres mécanismes créateurs de couleurs : la fluorescence, les interférences, la diffraction, les décharges dans les gaz, l'effet du champ cristallin, etc. Grâce aux travaux de Chevreul, de Lacouture et de Munsell, le caractère tridimensionnel des couleurs a été mis en évidence. Il est utilisé dans les classifications des couleurs qui prennent en compte trois éléments : la clarté, la tonalité et la saturation. (→ colorimétrie).
Les synthèses des couleurs

La synthèse additive des couleurs

Trichromie, synthèse additiveTrichromie, synthèse additive
On peut montrer qu'un écran « blanc » diffuse une lumière de la même couleur que celle qu'il reçoit. Il suffit donc de le regarder pour connaître la couleur de la lumière qui l'éclaire : sous un projecteur rouge, il est rouge ; sous un projecteur vert, il est vert. Et si on allume les deux projecteurs à la fois ? On constate alors que l'écran est jaune, d'un jaune plus ou moins verdâtre ou rougeâtre suivant la puissance respective de chaque projecteur, et qui peut être assez vif si on règle convenablement ces puissances.
Ainsi, en mélangeant des lumières rouge et verte convenablement dosées, on obtient du jaune. Pour obtenir du blanc, il faut ajouter à ce jaune un peu de bleu, au moyen d'un troisième projecteur. Et, suivant la couleur exacte du bleu, on devra modifier légèrement le rapport du rouge et du vert. Mais un réglage convenable des trois projecteurs permettra d'obtenir du blanc. On pourrait d'ailleurs en obtenir avec deux projecteurs seulement, un jaune et un bleu, à condition de pouvoir choisir la couleur exacte de l'un des deux. Pour un jaune donné, il existera une nuance de bleu permettant, par un dosage convenable, d'obtenir du blanc : ce bleu-là est dit complémentaire du jaune en question. Cette notion de couleurs complémentaires joue un grand rôle dans l'imprimerie en couleurs.
En modifiant les proportions du mélange issu des trois projecteurs, on pourra obtenir une lumière de n'importe quelle couleur, ou presque : c’est la synthèse additive des couleurs (principe utilisé dans les téléviseurs). En effet, on peut, dans un graphique, représenter ces mélanges par les puissances respectives de chaque projecteur, c'est-à-dire par différents points dans un espace à trois dimensions. Mais, en fixant arbitrairement la puissance totale, on ramène à deux le nombre des variables, et on peut ainsi représenter n'importe quel mélange par un point dans un plan. De plus, en mélangeant les couleurs représentées par deux points A et B, on obtiendra forcément une couleur représentée par un point du segment AB, plus ou moins proche de A ou de B suivant les proportions du mélange.
Quelle que soit sa source (Soleil, bougie, néon), une lumière polychromatique peut toujours être analysée par le prisme comme un mélange de lumières monochromatiques, qui seront représentées par des points situés sur une courbe englobant tous les points du plan représentant des mélanges. Ce principe permet de montrer sur un diagramme chromatique pratiquement toutes les couleurs, ainsi que leur composition de base.
Il faut souligner que ce choix des couleurs de base n'est commandé – en dehors de la facilité plus ou moins grande de leur production – que par l'avantage de disposer d'un triangle RVB (rouge, vert, bleu) le plus grand possible sur le diagramme. Trois autres couleurs différentes, R', V' et B', permettraient également d'obtenir la plupart des couleurs souhaitées, et en particulier du blanc. Avec une sorte de pourpre violacé, de l'orange et du bleu-vert, par exemple, les résultats seraient aussi bons qu'avec les trois couleurs traditionnelles : s'il est usuel d'appeler ces dernières les couleurs « primaires », il n'y a pas – pour le physicien sinon pour le photographe ou l'éclairagiste – de couleurs plus « primaires » que les autres.
La synthèse soustractive des couleurs

Trichromie, synthèse soustractive

Trichromie, synthèse soustractive  Trichromie, synthèse soustractive des couleurs
Si le principe de la synthèse additive des couleurs, c'est-à-dire l'utilisation du rouge, du vert et du bleu, était appliqué dans l'imprimerie, le mélange du rouge et du vert ne donnerait qu'un jaune moutarde peu lumineux. En effet, les imprimeurs (ou les peintres) n’utilisent pas des faisceaux de lumière pour composer leurs couleurs, mais des pigments colorés qui diffusent certaines couleurs. C'est pourquoi, contrairement à la télévision, la synthèse des couleurs est, ici, dite soustractive, car fondée sur l'absorption de la lumière. Les trois couleurs utilisées en imprimerie sont le jaune, le cyan et le magenta, dites « couleurs primaires » car elles ne dérivent d'aucune autre couleur tout en permettant d'obtenir toutes les autres par mélange. La superposition de ces trois couleurs ne donne qu'un brun noirâtre, aussi est-il nécessaire d'utiliser à part une encre noire.
La reproduction en quadrichromie peut se diviser en deux étapes : la décomposition et la recomposition des couleurs.
Le sujet à reproduire est tout d'abord photographié trois fois, en noir et blanc, avec différents filtres : bleu-violet, vert-jaune et rouge-orangé. On obtient ainsi trois négatifs en noir et blanc exprimant par leur degré de noirceur (densité optique) les proportions respectives de magenta, cyan et jaune qu'il faut combiner en chaque point du sujet pour contretyper sa couleur (obtenir son positif). Un quatrième film, le noir, est nécessaire pour les couleurs, mais aussi pour le texte, les filets.
Quatre plaques sont alors fabriquées, chez le photograveur, pour permettre la recomposition du sujet sur papier à partir des encres magenta, cyan, jaune et noire.
Si deux encres se recouvrent sur le papier, leurs absorptions s'ajoutent. En un point où, par exemple, du magenta et du jaune se superposent, le vert et le bleu sont absorbés : cet endroit-là du papier est rouge. De même, le mélange du jaune et du cyan produit du vert, celui du cyan et du magenta un bleu-violet assez foncé. Il reste à faire varier les proportions du mélange de lumières diffusées pour reproduire n'importe quelle couleur. Or l'imprimerie est une opération en « tout ou rien » : soit on met de l'encre, soit on n'en met pas. Aussi est-il nécessaire d'imprimer, avec chacune des encres, non pas des surfaces uniformes, mais des points régulièrement espacés, plus ou moins gros suivant que la couleur qu'ils absorbent doit être plus ou moins retranchée du mélange diffusé. Ces images en pointillé sont obtenues, pour chacune des encres, en tirant la photo à travers un filtre coloré approprié et une trame, c'est-à-dire un tissu à mailles très fines.
BEAUX-ARTS

Tributaire des moyens techniques et de la conception de l'image propres à l'artiste et à son temps, la couleur a connu au cours de l’histoire des mutations considérables.
Évolution technique

Diversité des matières

Les différentes époques voient leurs artistes faire usage de produits variés pour réaliser leurs œuvres : substances des peintures pariétales préhistoriques (ocres, charbon de bois, …), pigments minéraux et végétaux incorporés à divers liants pour l’élaboration des peintures murales du Moyen Âge et de la Renaissance, pratique de la peinture à l'huile à partir du xve s., emploi dematériaux industriels divers à partir du xixe s.
La main du peintre

L’emploi de la couleur diffère selon les artistes. Qu’elle soit appliquée sur de grandes surfaces, disposée en aplats ou en touches juxtaposées, en cernes ou en contours, elle sert par sa matérialité l’expression propre à chaque créateur qui en fait usage. Sa qualité expressive et son pouvoir de suggestion donnent également un sens à la réalisation plastique de l’œuvre.
Le travail de composition chromatique de l'artiste repose sur des notions de base : les couleurs primaires ou fondamentales (bleu, rouge, jaune), mélangées deux à deux, donnent les couleurs secondaires ou binaires (violet, vert, orangé, chacune étant la complémentaire de la couleur primaire qui n'entre pas dans sa composition), et toutes les combinaisons possibles définissent les teintes et les tons.
Un sujet de controverses

Fondement des jeux de valeur, de coloris, de lumière et des rapports spatiaux, la couleur se retrouve au cours des siècles au cœur de multiples débats où elle se voit opposée au dessin et à la forme. Les plus célèbres d’entre eux voient s’affronter durant la Renaissance les partisans des Vénitiens à ceux de Raphaël, les admirateurs de Rubens et de Rembrandt à l'Académie au xviie s. puis les défenseurs de Delacroix à ceux de Ingres dans le courant du xixe s.
Le tournant du xixe s.

Au cours du xixe s., contre l'académisme, l'étude (qui prolonge les travaux de théoriciens comme Chevreul) et l'exaltation de la couleur-lumière triomphent avec les impressionnistes (Claude Monet). Dès lors, la couleur, construction, expression ou sujet autonome, assume une fonction picturale primordiale, de Cézanne ou Van Gogh à Matisse, au fauvisme ou à l'abstraction (Rothko).

DOCUMENT   larousse.fr    LIEN

lentille
Construction des images

Cet article fait partie du dossier consacré à la lumière.
Volume de verre ou d'une substance réfringente quelconque, limité par des surfaces généralement sphériques, utilisé pour former des images optiques.
OPTIQUE

Introduction

Les lentilles sont des objets transparents qui modifient la propagation de la lumière et dévient les rayons lumineux. Les lentilles les plus courantes possèdent une symétrie de révolution autour d'un axe et sont limitées par deux calottes sphériques, ou par une calotte sphérique et un plan. Elles entrent dans la construction d'un grand nombre d'instruments : lunettes, loupes, microscopes, appareils photographiques, caméras, appareils de projection, etc. On en trouve également dans le corps humain : le cristallin de l'œil est une lentille convergente particulière à courbure variable ; son rôle est de faire converger sur la surface de la rétine les rayons lumineux qui pénètrent dans l'œil.
Lentilles et images

On appelle image d'un point A le point A' où se rencontrent, après passage par la lentille, tous les rayons lumineux issus du point A. Lorsque les rayons issus de la lentille se coupent au point A', l'image est dite réelle. Les objectifs d'appareils de photo forment des images réelles : c'est la concentration de lumière à l'emplacement des images réelles qui impressionne la pellicule. Au contraire, lorsque, à la sortie de la lentille, les rayons semblent provenir d'un point A' situé sur le prolongement imaginaire des rayons, on dit que l'image est virtuelle : les loupes, les verres de lunettes forment des images virtuelles, dont le cristallin donne ensuite une image réelle située sur la rétine.
Pour qu'une image soit nette, il faut qu'à un point objet corresponde un point image, et non une tache : le système est alors dit stigmatique. Cela est très difficile à réaliser, et même impossible dans le cas d'objets de grandes dimensions. Cependant, on obtient un résultat satisfaisant lorsque les conditions de Gauss sont satisfaites, c'est-à-dire lorsque les rayons lumineux font un angle faible avec l'axe optique, ainsi qu'avec les normales aux surfaces optiques.
Les différents types de lentilles

Lentilles convergentes et lentilles divergentes

Construction des imagesConstruction des images
Suivant la forme de leurs faces, on distingue six sortes de lentilles, trois à bords minces (biconvexe, plan-convexe et ménisque à bords minces), et trois à bords épais (biconcave, plan-concave et ménisque à bords épais). Lorsque l'indice de la lentille est plus grand que celui du milieu dans lequel elle se trouve, les lentilles à bords minces sont convergentes, c'est-à-dire qu'elles transforment un faisceau de lumière parallèle en un faisceau convergent vers un point. Inversement, les lentilles à bords épais sont divergentes : elles transforment un faisceau de lumière parallèle en un faisceau divergent.C'est le contraire lorsque la lentille est plongée dans un liquide d'indice plus grand que celui du matériau dont elle est constituée.
Lentilles minces

On qualifie de mince une lentille dont l'épaisseur est faible par rapport aux rayons de courbure de ses faces. Les constructions et les calculs concernant les lentilles minces sont beaucoup plus simples que dans le cas général. On peut les considérer comme une première approximation pour des lentilles modérément épaisses.
Axe optique et centre optique

On appelle axe principal ou axe optique de la lentille la droite qui passe par les centres de courbure de ses faces (l'un des centres est rejeté à l'infini lorsqu'une des faces est plane).
Il existe un point O situé sur l'axe optique qui possède la propriété suivante : à la sortie de la lentille, tout rayon qui est passé par le point O est parallèle à la direction qu'il avait avant de rencontrer la lentille. On appelle le point O le centre optique de la lentille.
Pour les lentilles minces, on peut considérer que les sommets des deux faces de la lentille sont confondus. Le centre optique coïncide, lui aussi, avec ces deux points.
Les foyers d'une lentille

Foyers principaux

On appelle foyer principal image F' d'une lentille le point vers lequel convergent (ou d'où semblent diverger), après passage dans la lentille, tous les rayons lumineux provenant d'un faisceau cylindrique parallèle à l'axe de la lentille.
On appelle foyer principal objet le point F tel que tous les rayons issus de ce point (ou qui convergeraient vers ce point en absence de la lentille) forment, après passage par la lentille, un faisceau cylindrique parallèle à l'axe.
Le foyer est réel si la lumière passe effectivement par ce point. Il est virtuel si ce sont les prolongements imaginaires des rayons qui y passent. Les foyers sont réels pour les lentilles convergentes et virtuels pour les lentilles divergentes.
Plans focaux et foyers secondaires

Le plan perpendiculaire à l'axe et passant par le foyer image F' est le plan focal image P'. On définit de même le plan focal objet P par rapport au foyer objet F.
Un faisceau incident formé de rayons parallèles entre eux mais inclinés par rapport à l'axe optique converge vers un point du plan focal image qui n'est pas situé sur l'axe optique. On appelle ce point H' un foyer secondaire image : dans le cas des lentilles minces, il est situé à l'intersection du plan focal image et du rayon incident qui passe par le centre optique et n'est donc pas dévié en traversant la lentille.
De même, tous les rayons issus d'un point foyer secondaire objet H, situé dans le plan focal objet à l'écart de l'axe optique, forment, après traversée de la lentille, un faisceau parallèle, incliné par rapport à l'axe optique. Pour une lentille mince, la direction de ce faisceau émergeant est celle du rayon HO, qui n'est pas dévié à la traversée de la lentille.
Distance focale et puissance d'une lentille

La position et la taille des images données par une lentille sont déterminées par sa distance focale image f' et sa distance focale objet f qui dépendent des indices de réfraction de la lentille et des milieux extérieurs, de son épaisseur et des rayons de courbure de ses deux faces. Par convention, la distance focale image est positive pour les lentilles convergentes et négative pour les divergentes. Dans les cas où les milieux de part et d'autre de la lentille ont même indice de réfraction, les distances focales f et f' sont opposées.
Dans le cas des lentilles minces, la distance focale image représente la distance entre le centre optique et le foyer image. De même, la distance focale objet représente la distance entre le centre optique et le foyer objet.
Pour une lentille mince d'indice n placée dans l'air dont les faces sont des calottes sphériques de rayons respectifs R1 et R2, la distance focale est donnée par la « formule des lunetiers » : 1/f = (n − 1) (1/R1 − 1/R2).
La puissance P d'une lentille (on dit aussi la convergence) est exprimée en dioptries et définie comme l'inverse de la distance focale mesurée en mètres : P = 1/f. Cette grandeur est positive pour les lentilles convergentes et négative pour les lentilles divergentes. Le système formé par l'association de plusieurs lentilles minces et accolées est analogue à une seule lentille dont la puissance est égale à la somme algébrique des puissances de chacune.
Construction géométrique des images

D'un objet plan, schématisé par un segment AB, la lentille donne une image A'B' dont il est possible de déterminer graphiquement la position et les dimensions (on suppose les conditions de Gauss réalisées même si, pour la commodité du tracé, certains points sont un peu éloignés de l'axe principal).

Lentilles minces
Nous considérerons seulement le cas des lentilles minces. La construction repose sur les constatations suivantes : un rayon lumineux incident parallèle à l'axe est réfracté en direction du foyer image ; un rayon passant par le centre de la lentille n'est pas dévié ; un rayon incident passant par le foyer objet sort de la lentille parallèlement à l'axe optique.
Cas d'une lentille mince divergente

On choisit le point A sur l'axe optique de la lentille et AB perpendiculaire à cet axe. L'image cherchée est un segment A'B', également perpendiculaire à l'axe optique et parfaitement déterminé si l'on connaît l'image B' du point B. Pour construire B', on choisit deux rayons particuliers du faisceau issu de B ; par exemple, on peut utiliser le rayon incident passant par le foyer objet F (qui émerge parallèlement à l'axe optique) et le rayon passant par le centre optique O (qui n'est pas dévié). L'intersection des deux rayons émergents est l'image B' cherchée : tous les rayons passant par B passent par B' après traversée de la lentille. Selon la position de l'objet, l'image est réelle ou virtuelle.
Cas d'une lentille mince convergente

On opère de la même façon que pour les lentilles convergentes : on utilise deux rayons particuliers issus du point B ; l'un passant par O et l'autre par F, par exemple. Le premier n'est pas dévié ; au second correspond un rayon émergent parallèle à l'axe optique. L'intersection de ces deux rayons est le point B' cherché. L'image d'un objet réel est toujours virtuelle.
La relation de conjugaison image - objet

Les formules de conjugaison permettent de trouver la position de l'image d'un objet donné. Si A est un objet situé sur l'axe optique, son image A' est également sur l'axe optique. La formule de Newton donne la position de A' ; elle est valable pour toutes les lentilles immergées dans un milieu unique, aussi bien les lentilles minces que les lentilles épaisses :
F′A′ FA = ff′.
Cette formule est simple et universelle, mais elle nécessite que l'on connaisse la position des foyers. Pour les lentilles minces immergées dans un milieu unique, on peut utiliser une formule dans laquelle les distances sont mesurées à partir du centre optique de la lentille, qui est facile à repérer :
1/OA′ − 1/OA = 1/OF′.
L'expression du grandissement

Si AB est un objet perpendiculaire à l'axe optique, son image A'B' est elle aussi perpendiculaire à l'axe optique. Le grandissement est le quotient de la longueur de l'image par celle de l'objet. Lorsque ce rapport est positif, l'image et l'objet sont de même sens. Lorsque le grandissement est négatif, l'image est à l'envers (si l'on considère que l'objet est à l'endroit). Pour les lentilles minces immergées dans un milieu unique, le grandissement est donné par la formule :
A′B′/AB = OA′/OA
Il est facile de vérifier que, lorsque l'objet et l'image sont tous deux réels, l'image est inversée.
Les aberrations

Lorsque les lentilles sont utilisées en respectant les conditions de Gauss, les images obtenues sont dites approximativement stigmatiques. Mais dans les systèmes centrés, ces conditions ne peuvent pas toujours être respectées ; ils ne donnent alors pas d'images stigmatiques, pas même de façon approchée : ils sont affectés par des aberrations chromatiques ou géométriques.
Les aberrations chromatiques

Aberration chromatique
Si la lumière blanche émise par un point lumineux objet est réfractée différemment selon les radiations, l'image a une certaine largeur, et ses bords sont irisés. Cela est dû à la variation de l'indice de réfraction de la lentille avec la longueur d'onde de la lumière λ. En conséquence, les couples (A, A'ν) ne sont pas identiques ; il y a autant de A'ν que de radiations émises par le point lumineux objet A. Le milieu étant plus réfringent pour les courtes longueurs d'onde, le point A'bleu se trouve avant le point A'rouge le long de l'axe pour un point objet de l'axe. Il ne peut exister de stigmatisme global. Le problème est le même pour les points n'appartenant pas à l'axe. Il s'agit ici de l'aberration chromatique.
Pour y remédier, on associe plusieurs lentilles d'indices et de pouvoir dispersif différents. Cette découverte technique, réalisée en 1757 par un opticien londonien, John Dollond, infirmait la théorie de Newton : il pensait qu'il serait à jamais impossible de « corriger ce défaut inhérent à la nature même du verre ».
Les aberrations géométriques

L'aberration de sphéricité
Considérons une lumière monochromatique. Si nous sortons des conditions de Gauss, à grande ouverture, les rayons formant l'image A' d'un objet A éloigné de la lentille ne convergent pas en un point car les rayons qui traversent la lentille sur sa périphérie sont beaucoup plus déviés que les rayons paraxiaux (rayons proches de l'axe) : par rapport à la partie centrale, les bords d'une lentille convergente sont trop convergents et les bords d'une lentille divergente sont trop divergents ; ce défaut, nommé aberration de sphéricité, est une aberration du premier ordre.
La coma
C'est une aberration de deuxième ordre. Une lentille ne donne pas une image ponctuelle d'un point situé dans le voisinage de l'axe principal si le faisceau issu de ce point est trop large. On obtient une tache floue dont la forme rappelle une comète, d'où le nom de coma donné à cette aberration.
L'astigmatisme
L'emploi de faisceaux étroits ne suffit pas pour obtenir les images exemptes de défauts. En effet, avec un pinceau lumineux très incliné sur l'axe principal de la lentille, à un point objet correspondent deux images distinctes. Cette aberration de troisième ordre se traduit par l'impossibilité d'obtenir simultanément une image nette d'un cercle et de ses rayons : lorsque le diamètre horizontal est net, le diamètre vertical est flou, et inversement.
La courbure de champ
C'est aussi une aberration de troisième ordre. Même si l'astigmatisme est corrigé, l'image d'un plan étendu, normal à l'axe principal, est une surface courbe. Ce défaut est appelé courbure de champ.
La distorsion
C'est une aberration de quatrième ordre. Elle ne compromet pas la netteté mais la fidélité de l'image : les points les plus périphériques sont trop proches ou trop éloignés de l'axe optique. La position de l'image est modifiée.
Le grandissement linéaire des images croît quand on s'écarte de l'axe de la lentille. Ainsi, à une ligne droite ne passant pas par l'axe correspond une ligne courbe dont la concavité est tournée vers le centre de l'image (distorsion en barillet) ou dans le sens opposé (distorsion en coussinet ou en croissant).
Un système exempt de distorsion est dit orthoscopique.
Les remèdes
Un instrument d'optique ne peut être seulement utilisé dans les conditions strictes de Gauss et le problème de l'atténuation des aberrations est très difficile, car les conditions requises pour leur correction sont souvent opposées. Suivant le but, l'opticien opère des associations de lentilles, pour lesquelles il joue sur les formes, les matières et les emplacements respectifs des diverses lentilles de façon que les défauts se compensent. On peut également chercher à disposer judicieusement des diaphragmes.
Les lentilles spéciales

Les lentilles cylindriques sont limitées par deux surfaces cylindriques dont les génératrices sont parallèles ou par une surface cylindrique et un plan. Les lentilles sphérocylindriques sont limitées par une sphère et un cylindre. Certaines lentilles sont limitées par deux surfaces toriques, l'une des faces pouvant être remplacée par un plan ou une sphère ; ces lentilles toriques servent principalement à la correction de l'astigmatisme des yeux. Les lentilles à échelons de Fresnel, utilisées dans les phares, permettent d'éliminer sommairement mais suffisamment l'aberration de sphéricité axiale. La diminution d'épaisseur de la partie centrale permet des réalisations de grande dimension. Le risque d'échauffement et de grosse perte d'énergie est ainsi diminué.

DOCUMENT   larousse.fr    LIEN

Révolution dans la fibre optique

Beaucoup plus de données peuvent transiter par les fibres optiques, ont prouvé des chercheurs qui ouvrent ainsi la voie à un Internet plus rapide et bien moins coûteux.

DISTORSION. « Les systèmes de fibres optiques d'aujourd'hui sont un peu comme des sables mouvants. Avec les sables mouvants, plus vous vous débattez, plus vite vous coulez. Avec la fibre optique, après un certain point, plus vous ajoutez de puissance au signal et plus vous obtenez de distorsions qui limitent sa propagation sur une longue distance », explique Nikola Alic, un des auteurs d’une étude publiée dans la revue Science.


Pour éviter ces effets de distorsions, qui entrainent des pertes d’informations, les ingénieurs doivent installer le long du parcours des fibres des répétiteurs qui permettent de régénérer le signal. Mais une nouvelle technique permet d’envoyer plus de lumière sans distorsion et donc de se passer de répétiteurs.
12 000 kilomètres sans régénération
Dans leur étude, Eduardo Temprana de l’université de Californie-San Diego et ses collègues ont trouvé un moyen de supprimer les effets dissipatifs non linéaires de la lumière à travers la fibre optique, éliminant la nécessité d’une régénération constante du signal. Les chercheurs ont utilisé des méthodes numériques de propagation retour pour étudier diverses fréquences de pulsations laser qui traversaient des fibres de plus d’un kilomètre de long. Leurs observations révèlent que les interactions non linéaires induites par la lumière qui ralentissent les communications par fibre optique peuvent être inversées, et que la cohérence mutuelle entre les pulsations laser est la clé de ce rétablissement.
RECORD. Dans des tests, les scientifiques ont ainsi réussi à transmettre une information à travers une fibre optique sur plus de 12 000 kilomètres sans aucun répétiteur. Un record. Pour ces essais, ils ont utilisé des fibres contenant 2,3 et 5 canaux qui interagissent entre eux mais ils estiment qu’ils pourraient largement augmenter ce nombre de canaux. La plupart des câbles de fibres optiques contiennent aujourd’hui 32 canaux. Ces résultats préfigurent de nouveaux réseaux de fibres optiques sans répétiteurs, et donc beaucoup moins coûteux, pouvant transmettre une plus grande quantité d’information en toute fiabilité.

 DOCUMENT        sciencesetavenir.fr      LIEN