Rayon lumineux

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Le rayon lumineux est une notion d'optique et un outil mathématique, utilisé principalement en optique géométrique, décrivant le trajet de la lumière de manière simplificatrice, valable uniquement lorsque le rayon lumineux se propage dans des milieux où les obstacles et composants optiques ont des dimensions très supérieures à la longueur d'onde. Un rayon lumineux n'a pas d'existence physique réelle[1],[2] et représente le cas idéal où il serait possible de sélectionner un faisceau parallèle infiniment fin de lumière[3].

Une manière d'approcher la notion de rayon lumineux par l'expérience est l'utilisation d'un laser dont le faisceau est très fin ou d'un pinceau très fin de lumière collimatée [4].

Histoire de la notion[modifier | modifier le code]

L'histoire des rayons lumineux suit celle du développement de l'optique géométrique, ayant servit de principal support mathématique à ce domaine de l'optique. La théorie de l'optique géométrique se développe ainsi du XIe siècle au XVIIIe siècle[5]. Mais la notion même de rayon, remonte à l'antiquité et aux premières théories sur la vision et la lumière. Parmi les multiples théories développées — les atomistes voyaient dans la lumière des « écorces » de particules envoyées à très grandes vitesse par les objets vers l'oeil, d'autres comme Pythagore, Empédocle ou Démocrite estimaient que la lumière émanée de l’œil parvenait à l'objet vu — l'une d'elle, développée par Euclide au IIIe siècle av. J.-C., exprime la notion de rayon lumineux à partir d'observations simples empiriques[6]. Si plusieurs traveux postérieurs approchent les grands principes de l'optique géométrique comme la réflexion ou la propagation rectiligne de la lumière, il faut attendre le Traité d'optique écrit par le physicien Ibn al-Haytham qui expose clairement plusieurs propriétés fondamentales des rayons lumineux, posant ainsi les bases de l'optique géométrique développée plus tard au XVIe siècle : Ibn Al-Haytham présente en effet la propagation rectiligne de la lumière et l'indépendance des rayons lumineux entre eux de manière explicite[7].

Si la notion de rayon lumineux semble pouvoir décrire l'optique géométrique de manière aisée, le modèle révèle ses insuffisances dès le XVIIe siècle avec la découverte par Francesco Maria Grimaldi, Robert Hooke et Robert Boyle des premiers phénomènes d'interférence et de diffraction : les anneaux de Newton et la présence de « lumière colorée dans l'ombre »[8].

Définition[modifier | modifier le code]

Le rayon lumineux est défini comme étant la direction de propagation de l'onde électromagnétique, peut être déduit du vecteur de Poynting de l'onde considérée, et est représenté comme une courbe[9],[10]. La notion de rayon lumineux n'étant employée que dans le domaine de l'optique géométrique, on n'utilise pas cette approximation pur décrire les phénomènes de diffraction ou d'interférences, relevant plutôt de l'optique physique[9].

Propriétés[modifier | modifier le code]

Les rayons lumineux issus d'une même source sont perpendiculaires aux fronts d'onde de celle-ci dans les milieux homogènes et isotropes[9], orthogonaux dans les milieux isotropes mais pas forcément rectilignes. Les rayons sont rectilignes mais pas forcément orthogonaux aux fronts d'onde dans les cas de milieux anisotropes mais homogènes[11]. Les deux principaux théorèmes décrivant le comportement des rayons lumineux sont le théorème de Malus et le principe de Fermat[12].

Chaque rayon lumineux est indépendant de l'autre, écartant de facto tout phénomène de cohérence ou impliquant un front d'onde puisqu'il ne peut y avoir d'interaction entre deux rayons lumineux proches[13].

Modélisation mathématique[modifier | modifier le code]

Les rayons lumineux sont représentés sous forme de droites, parfois orientées pour indiquer le sens de propagation de la lumière.

Il existe une modélisation matricielle des rayons lumineux : à l'aide d'une matrice colonne définissant un point d'intersection du rayon avec un plan donné d'origine et un vecteur unitaire dont le support est le rayon lumineux[14].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Raymond A. Serway, Physique III : Optique et physique moderne, Laval, Editions mémoire vivante,‎ 1992, 762 p. (ISBN 2-8041-1606-9, lire en ligne)
    Ouvrage traduit de l'anglais.
  • Bernard Balland, Optique géométrique : Imagerie et instruments, Presses polytechniques universitaires romandes,‎ 2007, 860 p. (lire en ligne)
  • Tamer Bécherrawy, Optique géométrique, Bruxelles, De Boeck Université,‎ 2006, 404 p. (ISBN 2-8041-4912-9, lire en ligne)