Optique des milieux matériels - Atomes, molécules, solides et photons

Ingénieurs et scientifiques utilisent couramment la lumière dans une myriade de systèmes, soit comme « témoin », pour des diagnostics ou des détections, soit de plus en plus comme moyen d’action, pour l’usinage, les traitements de surface, la purification, la chirurgie, en passant par les énergies renouvelables comme l’énergie solaire. La compréhension de ces techniques passe par la forme d’interaction propre au type de lumière et au type de matière mises en œuvre. Les différents constituants de la matière que sont les atomes et les molécules définissent les caractéristiques de ces interactions, c’est ce que nous appelons ici l’optique des milieux matériels et que nous abordons dans cet article. Nous savons aujourd’hui avec un grand raffinement comment la mécanique quantique gouverne tout cela. Elle est née en bonne partie de l’observation des spectres « de raies » des atomes et leur a donné leur explication admise depuis un siècle. Nous nous sommes fixé ici comme boussole de proposer une compréhension généraliste de l’interaction lumière-matière en analysant les degrés de liberté de la matière, les particules qui les portent et les répartitions d’énergie qu’ils adoptent : électrons, atomes, vibration des molécules, « bandes » des solides. Nous indiquons les modèles physiques sous-jacents sous une forme simplifiée. Nous évoquons la nature quantique du photon lui-même, clairement appelée à enrichir la palette des instruments et machines futurs en cryptographie ou dans des machines de simulation de systèmes complexes en gestation à travers le monde. Plus concrètement, la mise en œuvre des sources de lumière, telles les lampes, LEDs, lasers, filaments, etc. fournit des exemples utiles de conversion entre des formes d’énergie ou d’information électrique et optique. Nous parlons aussi des détecteurs, notamment les innombrables éléments à base de semi-conducteurs qui irriguent nos moyens d’information quotidiens, fibre ou caméra. Le thème de la spectroscopie est aussi omniprésent, tant il faut prendre acte qu’il est incontournable, car au fond, l’admirateur de l’arc-en-ciel ou le personnel médical qui analyse une image par résonance magnétique nucléaire (l’IRM) pratiquent tous deux des formes de spectroscopie.

Enfin, du point de vue environnemental, outre la question de l’énergie solaire déjà évoquée, quand se posent des questions de pollutions hélas trop fréquentes, ce sont très souvent des interactions optiques remarquables qui fournissent les bons schémas de détection (fluorescence, lidar, etc.). Dans un esprit proche, à l’heure des changements anthropiques du climat, il est forcément utile à tout ingénieur ou scientifique de comprendre le rayonnement thermique, qu’il s’agisse de traiter du confort « énergétiquement frugal » des lieux de vie ou bien de la compréhension des interactions des gaz avec le rayonnement infrarouge. Ce dernier point devra guider la façon dont nous devrons contrôler les principaux aérosols et bien sûr les gaz à effet de serre émis par les activités de nos différents secteurs agro-industriels.

Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles utilisés.