La lumière est une onde électromagnétique transversale se propageant dans le vide à $c = 3 \times 10^8$ m/s. Ses propriétés ondulatoires se manifestent notamment par la diffraction et l'interférence.
La lumière est une onde électromagnétique : elle ne nécessite pas de milieu pour se propager (elle se propage dans le vide à $c = 3 \times 10^8$ m/s). Son aspect ondulatoire est mis en évidence par la diffraction. Le spectre visible s'étend de λ = 400 nm (violet) à λ = 800 nm (rouge). Une lumière monochromatique est caractérisée par une seule longueur d'onde (ou fréquence), tandis qu'une lumière polychromatique (comme la lumière blanche) est un mélange de plusieurs longueurs d'onde. La fréquence ν d'une radiation est liée à sa longueur d'onde dans le vide par $\lambda = c/\nu$. Quand la lumière change de milieu, sa fréquence ne change pas, mais sa célérité et sa longueur d'onde dans le milieu changent.
Dans un milieu transparent autre que le vide, la lumière se propage à une vitesse v < c. L'indice de réfraction du milieu est $n = c/v$. L'indice est toujours supérieur ou égal à 1 (n_vide = 1 ; n_eau ≈ 1,33 ; n_verre ≈ 1,5). La longueur d'onde dans le milieu est $\lambda_{milieu} = \lambda_{vide}/n$ = v/ν. Un milieu est dit dispersif si son indice de réfraction dépend de la fréquence (comme le verre, qui décompose la lumière blanche en ses composantes colorées via la dispersion). La décomposition de la lumière blanche par un prisme ou par les gouttes de pluie (arc-en-ciel) illustre la dispersion.
La lumière, comme toute onde, se diffracte lorsqu'elle traverse une fente ou contourne un obstacle de dimensions comparables à sa longueur d'onde (quelques centaines de nanomètres). L'écart angulaire de la tache centrale de diffraction est $\theta = \lambda/a$ (en radians), où a est la largeur de la fente. La largeur de la tache centrale de diffraction sur un écran placé à une distance D est $L = 2D\lambda/a$. Plus la fente est étroite, plus la tache est large. La figure de diffraction d'une fente comporte une tache centrale brillante entourée de franges sombres et brillantes alternées d'intensité décroissante. La relation $\theta = \lambda/a$ permet de mesurer λ par une expérience de diffraction.
La diffraction de la lumière a de nombreuses applications en métrologie, spectroscopie et en optique instrumentale. Les réseaux de diffraction (réseaux de traits) décomposent la lumière selon ses longueurs d'onde, permettant des analyses spectrales très précises. En astronomie, la diffraction limite le pouvoir de résolution des télescopes. La cellule photoélectrique à fibre optique exploite la propagation de la lumière dans les fibres (principe de la réflexion totale interne, n_fibre > n_milieu extérieur). Les fibres optiques permettent la transmission de données à très haut débit sous forme d'impulsions lumineuses, avec des pertes minimes sur de longues distances.
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v = c/n = (3×10⁸)/1,52 ≈ 1,97×10⁸ m/s. λ_verre = λ_vide/n = 589/1,52 ≈ 387 nm. La fréquence ν = c/λ_vide = (3×10⁸)/(589×10⁻⁹) ≈ 5,09×10¹⁴ Hz reste inchangée.
θ = λ/a = (633×10⁻⁹)/(0,1×10⁻³) = 6,33×10⁻³ rad ≈ 0,36°. L = 2Dλ/a = 2 × 2 × 6,33×10⁻³ = 2,53×10⁻² m ≈ 2,53 cm.
L = 2Dλ/a donc λ = L×a/(2D) = (3,6×10⁻²)×(0,05×10⁻³)/(2×1,5) = (1,8×10⁻⁶)/(3) = 6×10⁻⁷ m = 600 nm. Radiation visible orange-rouge.