Définition :
C’est la forme de la surface de l’onde lumineuse à un endroit donné. Par définition, les rayons lumineux sont des droites imaginaires perpendiculaires au front d’onde.
La lumière est une onde, c’est à dire une vibration du champ électromagnétique qui nous entoure. Comme il n’est pas possible de dessiner cette vibration, il est plus pratique de prendre l’exemple d’une vague à la surface de l’eau. Bien entendu, ce n’est pas le même phénomène car il s’agit d’une onde de choc mais elle facilite notre explication.
Lorsque l’on jette une pierre dans l’eau, on fait naître une onde de choc que l’on visualise à la surface sous la forme de cercles concentriques qui s’éloignent du point d’impact de la pierre. Il faut toutefois s’imaginer que l’onde de choc se propage aussi sous l’eau. L’onde a donc en fait, la forme d’une sphère (ou plutôt d’une demi-sphère en dessous de la surface).
Partant de cet exemple, on peut imaginer que la lumière génère aussi des « vagues » électromagnétiques comparables. Une source lumineuse va donc faire vibrer le champ électromagnétique et générer tout autour d’elle des « vagues » électromagnétiques.
Dans notre exemple, il s’agit d’une onde divergente. La source S correspondant au point d’impact de la pierre. Les fronts d’ondes F on la forme de cercles qui se déplacent en s’éloignant de la source.
En optique, comme il n’est pas pratique de dessiner les fronts d’onde (sans compter qu’ils se déplacent), on a pris l’habitude de dessiner la trajectoire de ces fronts d’onde, sous la forme de lignes droites R perpendiculaires aux fronts d’onde F, et que l’on appelle les « rayons lumineux« . Les rayons lumineux n’existent donc pas réellement mais ils représentent la trajectoire du front d’onde.
La distance L entre 2 fronts d’onde consécutifs est appelée « Longueur d’onde« .
Sur le dessin, on a considéré le front d’onde comme étant le point haut de la « vague » mais on peut tout aussi bien considérer le front d’onde à n’importe quel niveau de la « vague » car à la même distance de la source on obtient le même cercle.
Cette remarque m’amène aussi à dire que la forme du front d’onde change suivant la distance à laquelle on l’analyse. On remarque que plus on s’éloigne de la source, plus le front d’onde s’aplatit. L’endroit où on analyse un front d’onde a donc une grande importance.
Voilà ci-dessous à quoi pourrait ressembler une onde convergente (toujours sur une surface d’eau). Ici le front d’onde est courbe et converge vers un point (qui pourrait être un point de focalisation).
Si on considère la forme du front d’onde issue d’une source très éloignée (disons à l’infini), elle aurait la forme d’un cercle de rayon infini et on obtiendrait un front d’onde plan comme le suggère le dessin ci-dessous. Par définition, les rayons lumineux R sont perpendiculaires au front d’onde F et sont donc parallèles entre eux.
Si on revient à ce qui se passe dans un verre de lunette, l’animation ci-dessous montre l’arrivée d’un front d’onde plan qui correspond à des rayons lumineux parallèles provenant de l’infini, ces rayons convergent vers le point focal du verre F ce qui donne un front d’onde sphérique centré sur F. Après le point focal F, le front d’onde continue sa course sous la forme de sphères qui s’éloignent de F.
Le dessin est en deux dimensions mais il faut imaginer le front d’onde en 3 dimensions. Si notre verre était un verre torique, le front d’onde à la sortie aurait une surface torique.
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