• l'optique géométrique, qui se concentre sur l'étude des trajectoires de la lumière en supposant qu'elle se propage en lignes droites et qui explique la réflexion, la réfraction et la formation des images par les miroirs et les lentilles;

• l'optique ondulatoire qui traite des phénomènes impliquant des interférences (lorsque deux ondes lumineuses se rencontrent et se combinent) des diffractions (la déflexion des ondes lumineuses autour d'obstacles) ou de effets de polarisation (orientation spécifique des oscillations des champs électrique et magnétique de l'onde lumineuse);

• l'optique quantique qui se penche sur les propriétés particulières de la lumière lorsqu'elle est traitée comme des particules discrètes (photons);

L'optique géométrique

Lois de la réflexion et de la réfraction.
Le principe fondamental qui sous-tend cette discipline est le principe de Fermat, selon lequel  la lumière "optimise" son trajet en fonction des propriétés du milieu traversé.  Ce principe permet d'expliquer naturellement les lois de la réflexion et de la réfraction. Dans un miroir plan ou courbe, l'angle de réflexion est toujours égal à l'angle d'incidence, mesurés par rapport à la normale à la surface au point d'impact. Lorsqu'un rayon passe d'un milieu à un autre de nature différente, sa direction est modifiée suivant la loi de Snell-Descartes pour la réfraction, qui relie les angles d'incidence et de réfraction aux indices optiques des milieux.

Le principe de Fermat.
Le principe de Fermat stipule que la lumière se propage entre deux points en suivant le chemin qui minimise le temps de parcours. Ce temps est appelé chemin optique. Plus précisément, le principe de Fermat affirme que, parmi tous les chemins possibles reliant deux points, la lumière choisit celui pour lequel le temps de parcours est extrémal (minimum ou parfois maximum). 

Par exemple, dans un milieu homogène, la lumière se déplace en ligne droite, car c'est le chemin le plus court et donc celui qui prend le moins de temps. Cependant, lorsqu'elle traverse des milieux de densités différentes (comme l'air et l'eau), elle change de direction (réfraction) pour minimiser le temps de parcours global. 

Le principe de Fermat permet de dériver les lois de la réflexion et de la réfraction, et il est étroitement lié aux concepts de la physique moderne, comme le principe de moindre action en mécanique. 

Lois de la réflexion.
Etablies dans le cadre de l'approximation de l'optique géométrique, où la lumière est considérée comme se propageant en ligne droite, les lois de la réflexion décrivent le comportement de la lumière lorsqu'elle rencontre une surface réfléchissante, comme un miroir. 

• Première loi de la réflexion (loi des angles). - Le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale (la droite perpendiculaire) à la surface réfléchissante au point d'incidence sont tous situés dans le même plan. Ce plan est appelé plan d'incidence.

• Deuxième loi de la réflexion (loi de Snell-Descartes pour la réflexion). - L'angle d'incidence (θi), défini comme l'angle entre le rayon incident et la normale à la surface, est égal à l'angle de réflexion (θr​), défini comme l'angle entre le rayon réfléchi et la normale : θi = θr.

Lois de la réfraction.
Les lois de la réfraction décrivent la déviation d'un rayon lumineux lorsqu'il traverse une surface (appelée dioptre) séparant deux milieux transparents d'indices de réfraction différents, c'est-à dire des milieux dans lesquels la vitesse de propagation de la lumière est différente. Ces lois, établies expérimentalement, permettent de prédire le changement de direction de la lumière à l'interface entre deux milieux.

• Première loi de la réfraction (loi des plans). - Le rayon incident, le rayon réfracté et la normale à la surface de séparation au point d'incidence sont tous situés dans le même plan, appelé plan d'incidence.

• Deuxième loi de la réfraction (loi de Snell-Descartes pour la réfraction). - Le produit de l'indice de réfraction du premier milieu (n1​) par le sinus de l'angle d'incidence (θi​) est égal au produit de l'indice de réfraction du second milieu (n2​) par le sinus de l'angle de réfraction (θr​) :

n1sin⁡(θi) = n2sin⁡(θr). 

Cette relation montre que si n2 > n1​, le rayon réfracté se rapproche de la normale (θr < θi​) et que si n2 < n1​, le rayon réfracté s'éloigne de la normale (θr > θi).  Dans le cas où n2 < n1 et que l'angle d'incidence dépasse une certaine valeur critique (θc), la réfraction n'est plus possible et toute la lumière est réfléchie : c'est le phénomène de réflexion totale interne, utilisé dans les fibres optiques.

Les prismes.
Un prisme est un élément optique constitué d'un matériau transparent, généralement en verre ou en cristal, dont la forme peut varier, mais la configuration la plus courante est celle d'un prisme triangulaire, avec trois faces où deux faces latérales sont inclinées par rapport à la base. Les prismes sont couramment utilisés pour manipuler la lumière en exploitant les propriétés de réfraction et de réflexion.

Lorsque la lumière traverse un prisme, elle est refractée (déviée) à chaque interface entre le matériau du prisme et l'air (ou tout autre milieu). Cette déviation se produit parce que la vitesse de la lumière change lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre, ce qui entraîne une variation de sa direction. Le degré de déviation dépend de l'indice de réfraction du matériau du prisme et de l'angle d'incidence de la lumière.

Dans un prisme triangulaire, la lumière entre dans une face latérale, est refractée vers le bas, traverse la base du prisme et est refractée de nouveau lorsqu'elle sort par l'autre face latérale. En raison de cette double réfraction, la lumière est déviée par rapport à sa trajectoire initiale. Cette déviation est maximale pour une certaine longueur d'onde, ce qui permet de séparer la lumière blanche en ses composantes spectrales (rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet). Ce phénomène est appelé la dispersion de la lumière.

Systèmes optiques.
Un système optique est un ensemble de dioptres (lentilles) ou de miroirs, et souvent à la fois de lentilles et de miroirs (systèmes catadioptriques), destiné à former des images. La formation d'images y est étudiée à travers la construction de rayons principaux, tels que le rayon passant par le centre optique d'une lentille, qui ne subit pas de déviation, ou celui parallèle à l'axe optique, qui est réfracté vers le foyer. Les systèmes optiques peuvent être simples, comme une lentille convergente, ou complexes, comme les objectifs photographiques, constitués de plusieurs lentilles combinées afin de corriger les aberrations.

Vocabulaire de base.
Donnons pour commencer quelques définitions de concepts courament utilisés pour caractériser les lentilles et les miroirs :

• Le centre optique est un point particulier situé sur l'axe principal d'une lentille ou d'un miroir (axe optique) perpendiculaire à la surface de la lentille ou du miroir. Dans une lentille mince idéale, il correspond à un point de symétrie où la lumière traverse le système sans être réfractée, si elle arrive parallèlement à l'axe optique ou très près de celui-ci. Dans un miroir, le centre optique est généralement confondu avec l'intersection de l'axe optique et de la surface réfléchissante, représentant la référence pour le tracé des rayons.

• Le plan focal est le plan perpendiculaire à l'axe optique qui passe par le foyer. Il contient tous les points où se forment les images d'objets situés à l'infini, lorsque la lumière arrive parallèlement à l'axe. Ce plan est important dans les systèmes d'imagerie, car il correspond ordinairement à l'emplacement du capteur, du film photographique ou de l'oculaire, garantissant ainsi la netteté de l'image.

• Le foyer est le point vers lequel convergent (dans le cas d'une lentille convergente ou d'un miroir concave) ou à partir duquel semblent diverger (dans le cas d'une lentille divergente ou d'un miroir convexe) les rayons lumineux initialement parallèles à l'axe optique. Ce point est déterminant pour la formation des images et peut être réel, lorsque les rayons se croisent effectivement dans l'espace, ou virtuel, lorsque la convergence apparente résulte d'une prolongation en arrière des rayons divergents.

• La distance focale est la distance qui sépare le centre optique du foyer. Elle caractérise le pouvoir convergent ou divergent d'un système optique et conditionne la taille de l'image formée. Une petite distance focale correspond à une forte capacité de convergence (ou divergence) et permet un champ de vision plus large, tandis qu'une grande distance focale augmente le grossissement mais réduit le champ observable.

• La vergence est la mesure quantitative de la capacité d'une lentille ou d'un miroir à faire converger ou diverger la lumière. Elle est définie comme l'inverse de la distance focale exprimée en mètres, et s'exprime en dioptries (δ). Ainsi, une lentille de 0,5 m de distance focale possède une vergence de +2 δ si elle est convergente, et de −2 δ si elle est divergente. Cette grandeur est particulièrement utilisée en optique ophtalmique pour caractériser la puissance corrective des verres de lunettes ou de contact.

• L'axe optique d'un instrument est la ligne imaginaire qui passe par le centre de symétrie de tous les éléments optiques d'un instrument et autour de laquelle le système est conçu. La précision d'alignement des éléments par rapport à cet axe est essentielle pour obtenir une image nette et exempte de distorsions, notamment dans les instruments de précision comme les microscopes ou les télescopes.

• L'objectif est l'élément optique situé du côté de la scène ou de l'objet observé, composé d'une ou plusieurs lentilles, parfois combinées à des miroirs dans les systèmes catadioptriques. Sa fonction est de collecter la lumière provenant de l'objet et de former une image intermédiaire, généralement réelle, qui sera ensuite observée ou analysée par d'autres composants du système. La qualité et les caractéristiques de l'objectif, telles que la distance focale, l'ouverture et la correction des aberrations, déterminent directement la netteté, la luminosité et la fidélité chromatique de l'image.

• L'ouverture désigne la taille effective du diaphragme ou de la zone utile par laquelle la lumière pénètre dans l'instrument optique. Elle conditionne la quantité de lumière collectée et influe sur la luminosité de l'image et la profondeur de champ.Une ouverture plus large  laisse entrer plus de lumière et permet des observations en faible luminosité, mais réduit la profondeur de champ, tandis qu'une ouverture plus petite augmente la netteté en profondeur mais diminue la luminosité.

• L'oculaire est le composant optique placé du côté de l'oeil de l'observateur. Il a pour rôle d'agrandir l'image intermédiaire fournie par l'objectif, transformant celle-ci en une image virtuelle observée confortablement par l'œil. Les oculaires sont constitués de combinaisons de lentilles calculées pour optimiser le champ de vision, réduire les aberrations et offrir un confort d'observation. Dans les instruments modernes, certains oculaires intègrent également des éléments optiques pour corriger des distorsions ou améliorer le contraste.

• La puissance, dans le contexte des instruments optiques, se réfère souvent à la capacité d'un composant à faire converger ou diverger la lumière, exprimée en dioptries pour les lentilles simples. Pour un instrument complet, elle peut aussi désigner sa capacité globale de grossissement ou sa performance lumineuse. Elle dépend à la fois de la conception optique, des matériaux utilisés et de la qualité des traitements de surface.

• Le grossissement est le rapport entre la taille angulaire de l'image observée à travers l'instrument et celle de l'objet vu à l'oeil nu. Il se calcule, pour un système formé d'un objectif et d'un oculaire, en divisant la distance focale de l'objectif par celle de l'oculaire. Un fort grossissement permet d'observer des détails fins, mais il réduit le champ de vision et peut accentuer les tremblements et imperfections optiques, d'où la nécessité de l'adapter à la résolution et à la luminosité du système.

• Une lentille convergente, plus épaisse au centre qu'aux bords, a pour effet de rassembler les rayons lumineux incident parallèles vers un point précis appelé foyer image. 

• Une lentille divergente, plus mince au centre qu'aux bords, écarte au contraire ces rayons comme s'ils provenaient d'un point situé du côté de l'objet, appelé foyer virtuel. 

Le comportement d'une lentille dépend non seulement de sa géométrie mais aussi de l'indice de réfraction du matériau et de la nature de la lumière incidente. Les lois de Snell-Descartes permettent de décrire précisément la trajectoire des rayons à travers la lentille.

Les miroirs.
Un miroir est une surface capable de renvoyer la lumière par réflexion, phénomène dans lequel un rayon incident rebondit sur la surface en respectant la loi fondamentale : l'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion, ces deux angles étant mesurés par rapport à la normale à la surface au point d'impact. 

• Un miroir plan restitue une image virtuelle, droite et de taille identique à l'objet, située symétriquement derrière le plan du miroir.

• Les miroirs courbes, eux, modifient la taille et la nature de l'image. 

+ Un miroir concave, dont la surface réfléchissante est tournée vers l'objet, peut concentrer les rayons en un foyer réel et produire des images agrandies ou inversées selon la distance de l'objet.

+ Un miroir convexe, dont la surface réfléchissante est tournée vers l'extérieur, disperse les rayons et forme uniquement des images virtuelles réduites, utiles par exemple pour élargir le champ visuel. 

 Les miroirs sphériques permettent de concentrer ou de diverger la lumière en fonction de leur courbure, formant des images réelles (miroirs concaves)  ou virtuelles (miroirs convexes).  Les miroirs paraboliques suppriment les aberrations sphériques et concentrent parfaitement les rayons parallèles vers un foyer unique.

La formation de l'image peut être comprise en suivant quelques rayons caractéristiques. Dans le cas d'une lentille convergente, par exemple, un rayon passant par le centre optique ne subit pas de déviation, un rayon parallèle à l'axe principal est réfracté en direction du foyer image, et un rayon passant par le foyer objet ressort parallèle à l'axe. L'intersection de ces rayons réfractés détermine la position du point image. Si les rayons se croisent réellement après traversée ou réflexion, l'image est dite réelle et peut être projetée sur un écran. Si au contraire ils divergent après le système, mais semblent provenir d'un point situé du même côté que l'objet, l'image est virtuelle et ne peut être observée que directement en regardant dans l'appareil.

Pour déterminer la position d'une image donnée par un système optique, on utilise généralement la relation de conjugaison qui relie la distance focale f du système, la distance de l'objet p (mesurée depuis le centre optique ou le sommet de la surface principale) et la distance de l'image p′. Pour une lentille mince ou un miroir sphérique, cette relation s'écrit : 

1/f = 1/p + 1/p'

En connaissant deux de ces trois paramètres, on calcule le troisième. Par exemple, si on fixe l'objet à une distance p et qu'on connaît la focale f, on en déduit p′ par inversion de la formule. Le signe de p′ indique si l'image est réelle (valeur positive) ou virtuelle (valeur négative).

Une fois la position trouvée, on calcule la dimension de l'image grâce au grandissement G, qui est défini comme le rapport entre la taille de l'image h′ et la taille de l'objet h. Dans l'approximation des petits angles, on a

G = h′/h = −p′/p

Le signe de G traduit l'orientation : un grandissement négatif signifie que l'image est inversée par rapport à l'objet, tandis qu'un grandissement positif correspond à une image droite. En pratique, on mesure les distances le long de l'axe optique et on applique rigoureusement la convention des signes adaptée au type de système (lentille convergente ou divergente, miroir concave ou convexe).

Pour les systèmes optiques plus complexes composés de plusieurs éléments, on applique la relation de conjugaison à chaque composant successif en prenant comme point objet pour l'élément suivant la position de l'image intermédiaire donnée par l'élément précédent. Les grandissements partiels se multiplient pour donner le grandissement total, ce qui permet de calculer la dimension finale de l'image à partir de celle de l'objet initial.

Instruments optiques.
Les instruments optiques utilisent la lumière et ses propriétés pour observer, mesurer ou analyser des objets, en exploitant des systèmes de lentilles, de miroirs ou de capteurs. Si l'on excepte la loupe, ce sont des systèmes optiques composés de plusieurs lentilles et/ ou  miroirs.

• La loupe est un dispositif simple constitué d'une lentille convergente qui grossit l'image d'un objet rapproché en produisant une image virtuelle agrandie. 

• Le microscope optique utilise un ensemble de lentilles objectives et oculaires pour observer des structures de taille microscopique; il repose sur la lumière transmise ou réfléchie et peut inclure des systèmes d'éclairage et de réglage fin pour améliorer le contraste et la résolution.

• Le télescope et la lunette, destinés à l'observation d'objets éloignés comme les astres, existent sous forme réfractive (lunettes), utilisant des lentilles, ou réflective (télescopes), utilisant des miroirs courbes; certains (également appelés télescopes) combinent les deux pour réduire les aberrations. 

Certains télescopes recourent en outre à des dispositifs mécaniques dits d'optique adaptative afin d'ajuster en temps réel la forme d'un miroir pour compenser les distorsions atmosphériques et obtenir des images plus nettes.

• Les jumelles combinent deux systèmes télescopiques réfracteurs alignés pour chaque oeil, offrant un grossissement tout en conservant une perception stéréoscopique et un large champ de vision, souvent avec des prismes internes pour redresser l'image. 

• L'appareil photographique capte la lumière sur un support photosensible ou un capteur numérique à travers un objectif constitué de plusieurs lentilles, permettant de régler la mise au point, l'ouverture et le temps d'exposition pour enregistrer une image nette. 

• Le projecteur de diapositives ou de films fonctionne à l'inverse de l'appareil photo : il utilise une source lumineuse et un objectif pour projeter une image agrandie sur un écran. 

• Le spectroscope sépare la lumière en ses différentes longueurs d'onde à l'aide d'un prisme ou d'un réseau de diffraction (V. plus bas), permettant l'analyse de la composition spectrale. 

Stigmatisme.
Le stigmatisme est la propriété d'un système optique à former d'un point objet un point image net et unique. Un instrument stigmatique conserve la netteté et la précision de l'image pour tous les points de l'objet situés dans des conditions idéales. Dans la réalité, aucun système n'est parfaitement stigmatique pour toutes les directions et toutes les longueurs d'onde (= couleurs); on cherche à optimiser cette propriété pour certaines zones ou applications particulières. Une attation particulière portée au stigmatisme d'un système optique est essentielle pour éviter que l'image ne présente un flou ou une déformation des contours.

Aberrations.
Les aberrations sont les imperfections qui empêchent un système optique de reproduire fidèlement l'image théorique d'un objet. Elles peuvent être géométriques, comme la coma, l'astigmatisme, la distorsion et la courbure de champ, qui déforment la forme ou la position des points de l'image. Elles peuvent aussi être chromatiques, dues à la dispersion, qui fait que les différentes longueurs d'onde ne convergent pas exactement au même point, créant des franges colorées. La correction des aberrations repose sur l'utilisation combinée de lentilles ou de miroirs aux formes et matériaux calculés pour compenser les défauts, ainsi que sur des dispositifs numériques dans les systèmes modernes.

L'optique ondulatoire

L'optique ondulatoire s'appuie sur la théorie des ondes développée au XVII^e siècle par Huygens, selon laquelle chaque point d'un front d'onde se comporte comme une source secondaire d'ondes sphériques, et sur la théorie électromagnétique de Maxwell qui, au XIX^e siècle, a montré que la lumière est une onde électromagnétique se propageant dans le vide à la vitesse c. Dans ce cadre, la lumière est décrite par sa longueur d'onde, sa fréquence, sa phase et son amplitude. Les phénomènes de cohérence, à la fois temporelle et spatiale, sont également essentiels dans cette approche.

Les équations de Maxwell, qui lient les champs électrique et magnétique, offrent un cadre unifié qui explique non seulement la propagation de la lumière dans le vide, mais aussi ses interactions avec la matière, telles que la réfraction, la réflexion ou l'absorption, en tenant compte des propriétés électromagnétiques des milieux. Ce formalisme met aussi en évidence la notion d'onde stationnaire, qui apparaît dans les cavités optiques ou les instruments lasers, et celle d'ondes guidées, exploitées dans les fibres optiques.

Ondes lumineuses.
Les ondes lumineuses appartiennent à un large spectre d'ondes électromagnétiques, qui se propagent dans le vide ou dans un milieu matériau sans nécessiter une onde portante comme l'air ou l'eau. Elles résultent de la propagation de oscillations du champ électrique et du champ magnétique, perpendiculaires entre elles et parallèles à la direction de propagation de l'onde. Pour le reste, les propriétés des ondes lumineuses (comme des ondes électromagnétiques en général) sont celles que l'on peut attacher à toutes les ondes :

• L'amplitude d'une onde lumineuse correspond à la mesure maximale de l'intensité du champ électrique ou magnétique oscillant autour de la position moyenne de l'onde. Elle indique la force de l'onde et est directement liée à l'intensité de la lumière perçue, plus l'amplitude est grande, plus la lumière est intense.

• La fréquence d'une onde lumineuse est le nombre d'oscillations complètes effectuées par l'onde par unité de temps, exprimée en hertz (Hz). Plus la fréquence est élevée, plus la lumière est énergétique. Cette propriété est essentielle pour définir la couleur visible de la lumière, car les différentes longueurs d'onde visibles correspondent à différentes fréquences.

• La longueur d'onde est la distance entre deux points successifs d'une onde lumineuse ayant la même phase, généralement mesurée en nanomètres (nm) ou en micromètres (µm). Elle est inversement proportionnelle à la fréquence : les ondes de haute fréquence ont des longueurs d'onde plus courtes, tandis que celles de faible fréquence ont des longueurs d'onde plus grandes. Dans le spectre visible, les longueurs d'onde varient de 380 nm (lumière violette) à 750 nm (lumière rouge).

• La vitesse de propagation de la lumière dans le vide est constante et égale à environ c =  299 792 458 mètres par seconde, mais elle diminue légèrement lorsque la lumière passe dans un milieu matériel, en raison de la réfraction. La relation fondamentale reliant c à la longueur d'onde λ  a sa fréquence f est donnée par la formule c = λf. 

L'approche de l'interférence et de la diffraction repose sur le principe de Huygens-Fresnel, qui explique la propagation des ondes lumineuses. Selon ce principe, le comportement d'une onde lumineuse peut être compris en considérant que chaque point de l'onde est la source d'une infinité de nouvelles ondes sphériques. Lorsque ces ondes sphériques se superposent, elles interfèrent les unes avec les autres et créent un nouveau motif d'ondes. Le principe de Huygens-Fresnel permet d'expliquer non seulement la réfraction, la diffraction, mais aussi la réflexion et la transmission des ondes lumineuses à travers des ouvertures ou des obstacles. Il peut également être utilisé pour prédire la forme d'un front d'onde dans différentes conditions.

La polarisation d'une onde lumineuse correspond à la direction de l'oscillation du champ électrique par rapport à la direction de propagation de l'onde. Une onde peut être linéairement polarisée si son champ électrique oscille dans une seule direction fixe, circulairement polarisée si l'axe de vibration trace un cercle autour de la direction de propagation, ou elliptiquement polarisée si la trajectoire de vibration est une ellipse.

Interférence.
L'interférence lumineuse est un phénomène où deux ou plusieurs ondes lumineuses de même fréquence se superposent pour produire une répartition spatiale de zones claires et sombres, ou colorées, selon la différence de phase entre elles. 

Origine physique.
Lorsque deux ondes lumineuses de même fréquence se rencontrent, leur superposition obéit au principe de superposition : l'amplitude résultante est la somme vectorielle des amplitudes des ondes individuelles.

• Interférence constructive. - Si les ondes arrivent en phase (Δφ = 0, 2π, ...), les amplitudes s'additionnent et la luminosité est maximale.

• Interférence destructive. - Si les ondes arrivent en opposition de phase (Δφ = π, 3π, ...), les amplitudes s'annulent et l'intensité est minimale.

• Cohérence temporelle. - Les ondes doivent avoir la même fréquence (ou un spectre très étroit).

• Cohérence spatiale. - Les ondes doivent provenir d'une source unique ou synchronisée, et avoir des fronts d'onde bien définis.

• Stabilité de phase. - La différence de phase entre les ondes doit rester constante dans le temps. (Les ondes lumineuses provenant des deux sources doivent parcourir des distances proches l'une de l'autre pour minimiser les différences de phase dues aux variations de propagation).

Interféromètres.
Les interféromètres sont des dispositifs optiques conçus pour étudier les propriétés de la lumière en utilisant des interférences lumineuses. Ils permettent de mesurer des phénomènes subtils comme les déformations de la lumière ou les variations de longueur de chemin. Voici quelques exemples d'interféromètres classiques :

• L'interféromètre de Michelson divise un faisceau lumineux en deux faisceaux par un demi-miroir, chacun suivant un chemin différent avant de se recouper à nouveau. Les deux faisceaux peuvent alors interférer, créant un patron d'interférences qui dépend du rapport de phase entre eux. Ce dispositif est utilisé pour mesurer des distances extrêmement précises, comme dans la définition du mètre. Des variantes géantes de l'interféromètre de l'interféromètre de Michelson sont utilisés par les expériences VIRGO et LIGO dédiées à la détection d'ondes gravitationnelles et qui impliquent l'interférence de faisceaux laser.

• L'interféromètre de Fabry-Pérot utilise deux miroirs parallèles très proches pour former une cavité optique. La lumière circule entre les miroirs, générant des interférences constructives pour certaines longueurs d'onde. Ce dispositif est souvent employé pour étudier les spectres lumineux.

• L'interféromètre de Mach-Zehnder fonctionne en divisant le faisceau lumineux en deux directions par un premier demi-miroir, chaque faisceau traversant des éléments optiques différents avant de se recouper à nouveau par un deuxième demi-miroir. Ce dispositif est utilisé pour mesurer des variations de phase dues à des changements dans la configuration optique, comme dans les tests de déformation de surfaces ou de mesure de champs électromagnétiques.

• Les fentes de Young est un dispositif est souvent utilisé pour démontrer les principes de l'interférencence et de la diffraction. Il recourt à deux fentes adjacentes éclairées par une source cohérente (laser ou lumière monochromatique filtrée) produisent sur un écran une série de franges claires et sombres.  La position des franges est donnée par :

 ym = mλD/a

où m est l'ordre de la frange;  λ, la longueur d'onde; D, la distance fentes–écran; et a, la distance entre les fentes.

Le phénomène d'interférence confirme le modèle ondulatoire de la lumière, mais il se manifeste aussi au niveau quantique : même des photons isolés peuvent produire un motif d'interférences lorsqu'ils passent un à un par un dispositif de type double fente de Young, tant que l'information sur leur chemin reste inconnue.

• Lames minces. - interférences par réflexion sur deux faces proches (ex. bulles de savon, irisations sur films d'huile). Les couleurs résultent du fait que certaines longueurs d'onde subissent des interférences constructives ou destructives selon l'épaisseur.

L'irisation des bulles de savon ou des films d'huile provient de ce que quand la lumière blanche arrive sur un film mince — comme la paroi d'une bulle ou une pellicule d'huile à la surface de l'eau — une partie est réfléchie à la surface externe, et une autre traverse le film, se réfléchit sur la face interne, puis ressort. Les deux faisceaux lumineux se rejoignent alors avec un décalage de phase qui dépend de l'épaisseur locale du film et de l'angle d'incidence. Si ce décalage correspond à une interférence constructive pour une certaine longueur d'onde, cette couleur est renforcée; si c'est destructif, elle est atténuée. Comme la lumière blanche contient toutes les longueurs d'onde visibles, différentes couleurs ressortent selon les zones du film où l'épaisseur varie. C'est cette variation d'épaisseur — souvent de l'ordre de quelques centaines de nanomètres — qui crée les motifs chatoyants et changeants. Les mouvements du fluide, la gravitation et l'évaporation font évoluer en permanence l'épaisseur du film, et donc la distribution des couleurs. Le résultat est ce miroitement irisé, qui n'est donc pas dû à des pigments, mais uniquement à la physique de la lumière et aux propriétés géométriques du film.

Diffraction.
La diffraction de la lumière se manifeste lorsque des ondes lumineuses rencontrent un obstacle ou traversent une ouverture dont les dimensions sont comparables à leur longueur d'onde. Ce phénomène, caractéristique des ondes en général, conduit à une répartition spatiale de l'intensité lumineuse qui s'écarte ici encore des prédictions de l'optique géométrique.

Diffraction par une ouverture unique.
Lorsque la lumière passe à travers une ouverture son interaction avec les bords de celle-ci provoque une modification de sa trajectoire initiale. Conformément au principe de Huygens-Fresnel, chaque point du bord de l'ouverture agit comme une source secondaire d'ondes sphériques. Ces sources secondaires émettent des ondes qui interfèrent entre elles, soit constructivement soit destructivement, formant ainsi un motif ou patron de distribution de lumière sur une surface située derrière l'ouverture. Ce patron est caractérisé par une zone centrale plus lumineuse, appelée maximum principal, entourée de zones plus sombres, appelées minimums. La figure de diffraction n'est visible clairement que si l'ouverture est de taille similaire ou inférieure à la longueur d'onde. Si l'ouverture est beaucoup plus grande que la longueur d'onde, la lumière passe principalement dans la direction initiale sans diffraction notable. 

Lorsqu'un faisceau lumineux homogène éclaire un écran muni d'une fente étroite, l'observation de la figure de diffraction sur un second écran placé à une distance suffisante montre une tache centrale brillante, flanquée de part et d'autre de taches secondaires moins intenses et séparées par des zones sombres. La position des minima d'intensité est donnée par la relation :

où d est la largeur de la fente, θn​ l'angle de diffraction pour le n-ième minimum, λ la longueur d'onde de la lumière, et n un entier non nul. Plus la fente est étroite, plus l'étalement angulaire de la lumière diffractée est important.

Dans le cas ou ce phénomène est observé avec une ouverture circulaire,  la figure de diffraction prend la forme d'une tache centrale entourée d'anneaux concentriques, alternativement lumineux et sombres, appelée tache (ou disque) d'Airy, dont le diamètre angulaire dépend du rapport λ/D, où D est le diamètre de l'ouverture. Le centre de cette tache correspond au maximum principal, entouré de minima dus à l'interférence destructive des ondes provenant des différentes parties de l'ouverture. 

La diffraction a des implications en optique instrumentale. La tache d'Airy, par exemple, limite le pouvoir de résolution des télescopes : deux points sources ne peuvent être distingués si leurs taches de diffraction se superposent significativement. En effet, la taille du disque central est proportionnelle à la longueur d'onde de la lumière et à la taille de l'ouverture du télescope, ce qui impose une limite à la netteté avec laquelle deux objets proches peuvent être distingués. Le critère de Rayleigh formalise cette limite en stipulant que deux images sont juste résolues lorsque le maximum de l'une coïncide avec le premier minimum de l'autre.

Diffraction par un réseau.
La diffraction par un réseau se produit lorsque la lumière traverse une série d'ouvertures périodiques disposées régulièrement, comme dans un réseau de fentes ou de rainures. Chaque ouverture du réseau agit comme une source secondaire d'ondes, émettant des ondes sphériques qui se propagent dans toutes les directions. Ces ondes interfèrent entre elles, produisant un patron de distribution de lumière caractéristique sur une surface située derrière le réseau.

Le phénomène de diffraction par un réseau est fortement influencé par la distance d entre les ouvertures,  la longueur d'onde λ de la lumière et l'angle θ sous lequel la lumière est observée. Une raie  lumineuse apparaît à cet angle lorsque la condition suivante (la même que celle que l'on a vue dans le cas d'une ouverture ponctuelle)  est remplie : d.sin⁡(θ) = n.λ, où n est un entier (appelé ordre de la raie). Les raies sont donc localisées aux angles spécifiques où les ondes provenant des différentes ouvertures du réseau se superposent constructivement.

Ce phénomène peut être mis à profit dans de nombreuses applications technologiques, telles que les réseaux de diffraction utilisés en spectroscopie pour disperser la lumière selon ses longueurs d'onde, ou dans les hologrammes, où les interférences entre l'onde de référence et l'onde diffractée par l'objet permettent de reconstruire une image en trois dimensions.

Polarisation de la lumlière dans les milieux anisotropes.
Les milieux anisotropes sont des milieux dont la structure cristalline ou moléculaire de ces matériaux, qui ne présentent pas de symétrie isotrope. Dans un milieu anisotrope, les propriétés optiques varient selon la direction du rayon lumineux par rapport aux axes cristallins. La vitesse de propagation de la lumière et son comportement dépendent ainsi non seulement de la nature du matériau, mais aussi de l'orientation du champ électrique par rapport à la structure interne du milieu. .

Contrairement aux milieux isotropes, où l'indice de réfraction est identique dans toutes les directions, un cristal anisotrope possède un tenseur diélectrique qui décrit la réponse différente du matériau selon les axes principaux. Ce tenseur relie le champ électrique de l'onde à la polarisation induite, et ses composantes distinctes déterminent la vitesse de phase de chaque polarisation.

L'un des effets les plus caractéristiques des milieux anisotropes est la double réfraction, ou biréfringence. Lorsque la lumière traverse un milieu anisotrope, elle se sépare en deux ondes polarisées orthogonalement, chacune suivant une trajectoire différente. Ces deux rayons, appelés rayon o (ou ordinaire) et rayon e (ou extraordinaire), ont des vitesses de propagation différentes en fonction de leur orientation relative aux axes optiques du cristal. Le rayon ordinaire suit les lois de la réfraction isotrope (comme la loi de Snell-Descartes) et conserve sa polarisation linéaire. Le rayon extraordinaire suit une trajectoire différente et sa polarisation est également modifiée. Cela résulte du fait que, dans un tel matériau, la relation entre le vecteur d'onde et le vecteur de Poynting (direction de l'énergie) n'est pas forcément colinéaire, ce qui introduit une biréfringence.

Le phénomène se comprend en considérant les équations de Maxwell adaptées à un milieu où la permittivité est décrite par un tenseur symétrique. La résolution de ces équations conduit à une surface indicatrice (ou surface de Fresnel) qui n'est pas une sphère, mais plutôt un ellipsoïde ou un double ellipsoïde selon le type d'anisotropie. Chaque point de cette surface représente une vitesse de phase possible pour une direction donnée de propagation et une polarisation donnée. Dans un cristal uniaxe, on distingue un seul axe optique où l'onde ordinaire et l'onde extraordinaire ont la même vitesse. Dans un cristal biaxe, deux axes optiques distincts apparaissent, et la structure de la surface indicatrice devient plus complexe.

La propagation est également influencée par la dispersion et par les pertes éventuelles. Dans les milieux anisotropes absorbants, la permittivité devient complexe et la direction de propagation de l'énergie peut différer encore davantage de celle du vecteur d'onde. Dans le cas extrême des métamatériaux anisotropes, il est possible d'obtenir des phénomènes inédits, comme une réfraction négative pour certaines polarisations. La manipulation de la polarisation dans ces milieux permet de concevoir des dispositifs optiques spécifiques tels que les lames biréfringentes, les polariseurs de Glan-Taylor ou les modulateurs de phase, qui exploitent directement cette différence de propagation pour contrôler la lumière.

Effet de rotation de la polarisation (effet Faraday).
L'effet Faraday se produit lorsque une onde électromagnétique traverse un matériau  placé dans un champ magnétique externe. Ce phénomène correspond à une rotation de la direction de polarisation de la lumière traversant le matériau. Le mécanisme physique derrière cet effet repose sur l'influence du champ magnétique sur les moments dipolaires des particules constituant le matériau. Dans un matériau magnétique, les moments dipolaires alignés par le champ magnétique modifient l'indice de réfraction anisotrope pour les deux composantes de la lumière polarisée linéairement dans des directions perpendiculaires. Cette anisotropie entraîne une phase différentielle entre ces deux composantes, ce qui provoque une rotation de la polarisation de la lumière.

L'optique quantique

Cette discipline trouve ses racines dans les découvertes du début du XX^e siècle, notamment avec l'explication de l'effet photoélectrique par Einstein, qui introduisit l'idée que la lumière transporte son énergie par quanta, proportionnelle à la fréquence de l'onde selon la relation E = hν. Les photons interagissent avec la matière de manière discrète, ce qui permet de comprendre des phénomènes tels que l'émission et l'absorption stimulée, principe au coeur du fonctionnement des lasers. 

Un laser est un dispositif qui émet de la lumière cohérente, monochromatique et directionnelle. Le fonctionnement d'un laser est basé sur le processus de stimulation de l'émission de radiation. À l'intérieur d'un laser, il y a un milieu actif, qui peut être un gaz, un liquide, un cristal ou même un semi-conducteur. Ce milieu actif est excité par une source d'énergie externe, telle qu'une décharge électrique ou une autre source de lumière intense. L'excitation provoque l'émission de photons à des longueurs d'onde spécifiques. Ce processus d'émission de photons est stimulé par des photons déjà présents dans le milieu actif. Lorsque certains photons stimulent l'émission de nouveaux photons, une réaction en chaîne se produit, aboutissant à une amplification de la lumière. Cette amplification se produit à travers un effet appelé émission stimulée. Les photons stimulés ont la même longueur d'onde, la même phase et la même direction que les photons d'origine, ce qui confère au laser sa cohérence et sa directionnalité et sa monochromaticité.

• L'état de Fock, aussi appelé état à nombre, est un état quantique de la lumière ou d'un champ électromagnétique dans lequel le nombre exact de photons est bien défini. Il est noté |n>, où n est un entier indiquant le nombre de photons présents. Ces états sont orthogonaux et forment une base complète de l'espace de Hilbert du mode considéré. La fluctuation relative de l'intensité y est maximale pour de petits n, mais l'incertitude sur le nombre est nulle : mesurer le champ donne toujours le même nombre de photons.

• L'état cohérent est un état du champ électromagnétique qui se rapproche le plus du comportement classique d'une onde lumineuse. Il est noté |α>, où α est un nombre complexe représentant à la fois l'amplitude et la phase moyenne du champ. Dans un tel état, le nombre de photons suit une distribution de Poisson et les incertitudes sur les quadratures du champ sont minimales et égales, atteignant la limite fixée par le principe d'indétermination d'Heisenberg. Ce sont les états produits typiquement par un laser bien stabilisé.

• L'état comprimé (squeezed state) est un état quantique où l'on réduit l'incertitude sur une quadrature du champ en augmentant celle sur la quadrature conjuguée, de manière à respecter le principe d'incertitude. Cela permet, par exemple, de mesurer avec une précision supérieure à la limite quantique standard sur certaines grandeurs, au prix d'une précision moindre sur d'autres. Ces états sont utilisés dans la métrologie de pointe, comme dans la détection d'ondes gravitationnelles.

• L'état thermique décrit un champ électromagnétique en équilibre avec un environnement à température non nulle. Il ne présente pas de phase bien définie et le nombre de photons y suit une distribution de Bose-Einstein. Les fluctuations de l'intensité y sont plus importantes que dans un état cohérent, et la cohérence temporelle y est faible. Ces états apparaissent naturellement pour la lumière issue de sources chaudes ou dans des conditions de bruit thermique dominant.

• L'état intriqué est un état de plusieurs systèmes (par exemple deux modes de lumière) dans lequel les propriétés de chaque sous-système ne peuvent pas être décrites indépendamment. Les corrélations quantiques présentes dépassent ce qui est possible avec des corrélations classiques. Par exemple, dans un état de Bell (= état d'intrication maximale) formé par deux photons polarisés, la mesure de la polarisation de l'un détermine instantanément celle de l'autre, quelle que soit la distance qui les sépare.

La distribution des photons dans la lumière classique (pa exemple, la lumière produite par une source thermique), suit une distribution de Poisson, caractérisée par une variance égale à sa moyenne. Cette propriété découle directement de la superposition de photons indépendants et identiquement distribués. En revanche, la lumière non classique peut présenter des distributions de photons qui ne suivent pas cette règle. Une lumière à antibruitage photonique (sub-poissonienne), par exemple, présente une variance inférieure à sa moyenne. Ce phénomène est typique des états quantiques cohérents comme les états d'Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) ou les états de cohérence supeposée (squeezed states). Pour illustrer cela, considérons une source produisant une lumière à antibruitage photonique. Si l'on mesure le nombre de photons dans plusieurs échantillons lumineux provenant de cette source, on observera une variance statistique plus faible que la moyenne. Cela signifie que les fluctuations du nombre de photons autour de la valeur moyenne sont réduites par rapport à ce qu'on attendrait pour une source classique. Cet effet est ordinairement associé à des corrélations quantiques entre les photons, telles que celles observées dans les paires de photons entrelacés. Cette différence dans la distribution des photons permet donc de distinguer clairement la lumière non classique. En pratique, cette distinction est réalisée grâce à des expériences mesurant la fonction de corrélation secondaire, qui est inférieure à 1 pour la lumière à antibruitage photonique, tandis qu'elle vaut 1 pour la lumière classique suivant une distribution de Poisson.