Prisme (optique)

vignette|upright=1.5|Trois prismes à base triangulaire : un prisme à angle droit, un prisme à 60° et un prisme à 30°.|alt=Photographie de trois prismes en verre posés sur une table en bois.

Un prisme est un bloc de verre taillé, composé classiquement de trois faces sur une base triangulaire, mais qui peut adopter des formes plus complexes et éloignées du prisme à base triangulaire usuel. C'est un instrument optique utilisé pour réfracter la lumière, la réfléchir ou la disperser. Des prismes spéciaux peuvent aussi servir à diffracter la lumière, la polariser ou en séparer les polarisations ou encore créer des interférences.

Utilisé dans l'Antiquité pour son côté décoratif, sous forme de perles ou pour décomposer la lumière, le prisme connaît son premier essor comme instrument scientifique durant le Moyen Âge tardif. Il a permis de grandes avancées dans la compréhension de la composition de la lumière grâce aux expériences d'Isaac Newton au . Depuis, les prismes ont été utilisés majoritairement en spectroscopie et dans toute application nécessitant des déviations ou des séparations de faisceau. Considéré comme un outil rudimentaire depuis son âge d'or en spectroscopie, les prismes demeurent omniprésents en optique dans de multiples applications comme la séparation d'harmonique.

Histoire vignette|Les prismes utilisés par Fraunhofer pour découvrir et dénombrer les raies de Fraunhofer, qui sont utilisées depuis comme longueurs d'onde de référence.

Appelés du temps de la Rome antique., un récit de Pline l'Ancien en mentionnerait l'existence dans un passage traitant d'un cristal taillé en prisme capable de transformer la lumière du soleil en arc-en-ciel.. La manufacture à cette époque de perles de verre de forme prismatique a été attestée en particulier sur le site de Ban Don Ta Phet (), un site archéologique de l'âge du fer dans l'Amphoe Phanom Thuan en Thaïlande. Ces perles, transparentes ou translucides, sont volontairement taillées en forme de prismes similaires aux cristaux naturels à base triangulaire ou hexagonale par exemple... L'existence de prismes ou d'éléments similaires est aussi attestée par Sénèque qui mentionne dans ses des baguettes de verre qui servent à transformer la lumière en un arc-en-ciel..., prismes qui auraient été très utilisés de son temps. Sénèque attribue cependant à cette époque les couleurs de l'arc-en-ciel à des fausses couleurs fugitives comme les reflets irisés des plumes de pigeon.. En 1275, Vitellion reproduit ce phénomène en remplissant un prisme de base hexagonale avec de l'eau ; en faisant passer de la lumière au travers, la lumière est décomposée.. vignette|Un prisme du XVIIIe siècle (musée des sciences de l'université de Göttingen). Si le prisme est connu depuis longtemps, la « transformation » de la lumière du soleil en de multiples couleurs n'est toujours pas expliquée et les couleurs sont considérées jusqu'au comme des mélanges d'ombre et de lumière.. ou comme le mélange de particules de la surface des objets avec des particules de lumière. Il faut attendre les expériences d'Isaac Newton, qui cherche à comprendre la déformation du faisceau en sortie du prisme plutôt que de s'intéresser aux couleurs, pour que la décomposition du spectre soit comprise. Le faisceau, ovale, est déformé, ce qui se heurte aux lois de la réfraction alors connues : l'indice de réfraction était considéré comme unique et propre au milieu qui modifiait la lumière. Newton montre par ses expériences que ce n'est pas le prisme qui modifie la lumière mais les propriétés du matériau qui sont différentes pour les couleurs.

L'utilisation croissante des prismes est concomitante avec la découverte du phénomène de dispersion de la lumière blanche et la compréhension que celle-ci est composée d'un continuum de couleurs.. C'est aussi grâce à cette expérience des prismes que l'on a compris le caractère inévitable des aberrations chromatiques dans les télescopes.. À partir du début du , les recherches sur l'éther deviennent de plus en plus nombreuses, et les expériences visant à en démontrer l'existence se multiplient. En 1810, François Arago cherche à observer la différence de vitesse des ondes lumineuses dans l'éther grâce à la déviation des rayons stellaires dans un prisme à différentes heures du jour. Cette expérience est réinterprétée par Augustin Fresnel qui en déduit que l'éther subit un entraînement partiel dans les milieux réfringents comme celui du prisme.. Un siècle de recherches s'acheve en tous les cas par l'abandon de la théorie de l'éther.

Réalisation des prismes

Les prismes utilisés en optique, du fait de leur emploi dans des applications de précision, sont des blocs de matériau transparent, homogène et isotrope. Cela implique une qualité de verre très importante. Certains prismes, les prismes à liquide, sont des parois formant un angle dans lequel est coulé un liquide comme de l'eau.

Il existe peu de machines pour l'usinage à la chaîne de prismes optiques de précision du fait de la grande variété de forme, de taille et de qualité des prismes. Leur utilisation finale détermine la précision avec laquelle ils sont usinés.. On retrouve parmi les fabricants de composants optiques des précisions allant de l'arcminute à l'arcseconde pour l'angle au sommet, et des qualités de polissage jusqu'à 20/10 en ce qui représente la qualité usuellement requise dans les applications à laser pulsé..

Le processus d'usinage est similaire à celui d'autres composants en verre optique comme les lentilles : une étape d'ébauchage est effectuée sur le bloc de verre, puis un rodage plus fin avant polissage jusqu'à atteindre la qualité optique désirée. À chaque étape, l'angle est contrôlé à la main. La fabrication d'un prisme est assez longue et les prismes les plus complexes, à surfaces nombreuses, comme les prismes en toit, ne font qu'allonger la durée de l'usinage et multiplier les contrôles optiques nécessaires.

Après ces trois étapes, les arêtes non utilisées de certains prismes peuvent être chanfreinées. Ensuite, le prisme est soumis à un traitement anti-reflet si besoin. Géométrie

Un prisme en optique est défini par son « angle d'ouverture » : un prisme à 30° possède un angle au sommet tel. Ce sommet est l'arête principale du prisme, qui est formée par l'intersection de deux des faces du prisme. Dans un prisme à base triangulaire, la troisième face est nommée « base » et n'intervient que dans le cas des prismes à réflexion totale..

Prismes en toit

Les prismes en toit sont des prismes dont une des faces n'est plus plane mais taillée en « toit », c'est-à-dire en un coin à angle droit. Ils peuvent servir à inverser l'image formée par le prisme., cette nouvelle arête étant orientée selon l'axe de symétrie désiré pour l'inversion de l'image..

Pentaprisme

Le pentaprisme est un prisme complexe. Il est principalement utilisé en photographie dans les appareils reflex à viseur optique pour retourner l'image avant de la transmettre dans le viseur optique. Le premier constructeur à l'avoir utilisé en 1957 est Pentax..

Association de prismes

vignette|Un prisme trichroïque, un assemblage complexe de prismes plus simples qui permet de diviser un faisceau et de séparer en trois faisceaux les trois couleurs composant le faisceau d'entrée. Ce prisme fait partie de la famille des prismes polychroïques, qui redirigent les couleurs différentes dans des faisceaux différents.

Les prismes optiques peuvent être utilisés par paire, séparés spatialement ou accolés que ce soit par une colle ou par contact optique.

Utilisations

Déflexion de faisceau

Les prismes à réflexion totale sont utilisés pour dévier la lumière sans perte dans des systèmes optiques comme les jumelles ou les appareils photographiques ; ils sont une alternative aux miroirs... Un prisme rétroréflecteur possède ainsi un intérêt majeur par rapport aux miroirs, étant donné que, quelle que soit l'orientation du prisme, le faisceau sera renvoyé dans le sens inverse du faisceau incident, parallèlement tant que les faces du prisme forment bien un angle de 90° entre elles : ce système est plus facile à aligner qu'un système à miroirs où l'angle d'incidence du faisceau a une importance bien plus grande. Les prismes « coin de cube » présentent aussi cette particularité dans les trois dimensions.

Anamorphose de faisceau

La configuration géométrique d'un prisme fait qu'une anamorphose de faisceau est possible ; souvent réalisée à l'aide d'une paire de prismes, on retrouve cette utilisation de manière fréquente pour la symétrisation des faisceaux des lasers.

Le principe repose sur de l'optique géométrique simple. Un seul prisme est nécessaire pour réaliser une anamorphose mais le faisceau sera dévié. Une paire de prismes permet de conserver la direction de la lumière tout en réalisant l'anamorphose. Pour une meilleure transmission, on réalise le plus souvent ce montage avec un angle d'incidence proche ou à angle droit et une sortie de prisme à l'angle de Brewster de manière que la polarisation TM du faisceau soit totalement transmise. Dans le cas simple à un seul prisme, l'anamorphose sera, selon l'orientation du prisme, d'un facteur égal à l'indice de réfraction du prisme ou à l'inverse de l'indice..

Lorsque l'on utilise une paire de prismes identiques pour réaliser l'anamorphose, le facteur s'élève à l'indice au carré, ou son inverse au carré. Il demeurera aussi un offset du faisceau sortant qui, bien que parallèle au faisceau d'entrée, aura été décalé par les réfractions des prismes. Pour annuler l'offset, le montage devrait contenir alors quatre prismes en tout.

Une des principales limitations de ce montage est sa sensibilité à la longueur d'onde : puisque l'on travaille en transmission, il n'est pas possible de se départir de la dispersion chromatique. Par ailleurs, les diodes lasers, qui émettent des faisceaux astigmatiques, ne peuvent être anamorphosées par ces systèmes puisque les prismes ne peuvent focaliser les waists décalés du faisceau.

Prismes dispersifs

Les prismes dispersifs ont été très employés en spectroscopie dans des instruments appelés spectroscopes à prismes et dans les spectrophotomètres à prisme.. Le premier spectroscope à prismes a été inventé vers 1860 par Gustav Kirchhoff et Robert Bunsen.. Bien que les prismes soient encore très utilisés dans ce domaine, les réseaux de diffraction les ont progressivement remplacés, à la fois pour des raisons économiques et pour leur plus grand pouvoir de résolution..

Outre cette utilisation, les prismes dispersifs sont aussi employés avec les lasers, afin d'épurer un faisceau ayant subi un doublage de fréquence par exemple, ou bien pour recombiner deux faisceaux de longueurs d'onde différentes. La dispersion créée par un prisme peut permettre, lorsqu'il est inséré dans une cavité laser, de régler finement la longueur d'onde d'émission..

Dans le cas des lasers à blocage de mode (en anglais ), deux prismes dispersifs appairés permettent de contrôler la dispersion en fréquence grâce au fait que le chemin optique devient dépendant de la longueur d'onde. La dispersion introduite peut devenir anormale mais les pertes sont limitées dès lors que les faisceaux sont incidents à l'angle de Brewster..

Le premier prisme va simplement disperser la lumière selon les longueurs d'onde, et le deuxième prisme, tête-bêche par rapport au premier, réfracte le faisceau parallèlement au faisceau d'entrée, mais chaque longueur d'onde va sortir en un point différent de la face de sortie du deuxième prisme, ces points étant dépendants de la longueur d'onde : on parle dans ce cas de « chirp spatial ».

Correction des amétropies