Publié le 19 octobre 2015

2015 : Année internationale de la lumière et des technologies basées sur la lumière. Le titre fût décrété lors de la 68^e assemblée générale des Nations Unies pour souligner l’omniprésence des technologies utilisant la lumière et celles permettant un développement durable et à moindre coût énergétique. Ces technologies sont multiples et parfois très élaborées, démontrant par le fait même la complexité des principes physiques entourant cette entité mystérieuse.

La lumière est le terme général employé pour décrire une radiation électromagnétique qui se propage à une vitesse avoisinant les 300 000 000 m/s. Puisque l’œil humain ne voit que dans la région visible du spectre électromagnétique, on associe la lumière visible à une perception des couleurs. Cependant, le terme « radiation électromagnétique » est quant à lui plus général et englobe notamment les rayons-X, micro-ondes, ondes-radio, rayons gamma etc.

Dans un jargon plus scientifique, la lumière peut être quantifiée par sa longueur d’onde (si la source est monochromatique) ou encore une plage de longueurs d’ondes émises (pour une lumière blanche, polychromatique). Ainsi, une première question se pose :

Qu’est-ce qu’une source de lumière monochromatique?

Pour répondre à cette question, nous devons nous attarder sur le concept de radiation électromagnétique. Une onde électromagnétique est une onde dont les composantes électriques et magnétiques oscillent dans l’espace avec une fréquence donnée. Cette onde porte aussi des caractéristiques propres aux particules, un principe que l’on nomme : La dualité onde-particule. Ainsi, la lumière est composée de photons, qui sont des quantums (paquets) d’énergies qui se propagent dans la direction de l’onde. Bien que ce concept puisse sembler abstrait, nous y reviendrons lorsque nous aborderons des sujets plus avancés sur la chose.

La fréquence d’une onde dicte en partie l’énergie contenue dans cette dernière. Plus la fréquence est élevée, plus l’onde est énergétique et de façon générale dommageable pour l’être humain. Cette fréquence peut être exprimée en Hertz (Hz), une unité signifiant le nombre d’oscillations que l’onde réalise à chaque seconde. En optique, on parle plutôt de longueur d’onde λ et les unités sont généralement données en nanomètres (1 nanomètre = 1x10^-9m). Cette longueur d’onde est inversement proportionnelle à la fréquence de l’onde par la relation :

   

où "c" est la vitesse de la lumière (˜3x10⁸m/s) et "f" la fréquence de l’onde.

Une source d’illumination est dite monochromatique si elle émet une seule longueur d’onde, où plutôt une bande étroite de longueurs d’ondes puisque les sources monochromatiques parfaites n’existent pas. L’exemple le plus connu de tous est une source d’émission laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Un laser rouge peut émettre une radiation très étroite à une longueur d’onde avoisinant les 650 nm (650x10^-9m), ce qui correspond à une fréquence entre 4.61x10¹⁴ Hz, soit quelques centaines de terahertz ! Le spectre d’émission typique d’un laser rouge ressemble alors à celui qui est schématisé à la fig.1. Par comparaison, ont y démontre aussi le profil d’émission d’un laser UV centré à 400 nm.

 

Dûe à la nature même de l’onde (voir éq.1), un photon provenant d’un laser rouge est beaucoup moins énergétique que le laser UV (l’une des raisons pour lesquelles on doit se protéger la peau contre le rayonnement UV durant les belles journées ensoleillées d’été). Conséquemment, un laser rouge nécessite plus de photons pour arriver à produire la même puissance de sortie qu’un laser UV. Par exemple, 1 watt de puissance (1W = 1 joule/seconde) émis par un laser rouge (650 nm) nécessite 3.32x10¹⁸ photons tandis que 1W de lumière UV à 400 nm peut être produite avec seulement 2.01x10¹⁸ photons. Les sources de lumière monochromatique sont très utiles au niveau de la vision puisqu’on connait précisément la plage spectrale émise vers objet et celle qui est retournée. Cependant, dans certains cas, il est plus utile d’utiliser une lumière blanche qui émet des ondes à plusieurs fréquences et couvrant une plage plus large du spectre électromagnétique.

Pour cette raison, le mois prochain, nous nous attarderons sur le concept de lumière polychromatique et des principes de calibration de lumière blanche.