Qu’est-ce que la lumière ? Le spectre visible et au-delà

Bien que la « lumière » fasse référence à l’énergie radiante visible, elle peut désigner des sources d’éclairage, comme la lumière du soleil ou des sources artificielles comme une lampe et des luminaires (ie, des appareils d’éclairage). On peut penser aux couchers de soleil ou même au ciel nocturne ! Au cours de la quasi-totalité de l’évolution de l’humanité, il n’y avait que la lumière naturelle du soleil ou le feu (y compris les bougies, les torches à flamme et, plus tard, les lampes à huile). Mais aujourd’hui, et au cours du siècle dernier, les lampes électriques ont dominé nos environnements nocturnes dans les pays développés. Depuis les années 1820-1830, les lampes à gaz et (plus tard) les lampes à incandescence (riches en rouge) ont dominé notre environnement intérieur la nuit. Les flammes nues et les sources à incandescence sont décrites techniquement comme ayant des températures de couleur basses, typiquement ⩽2800 Kelvins (K) – riches en grandes longueurs d’onde visibles (orange, rouge) et en rayonnement infrarouge proche. En revanche, le Soleil de midi est riche en longueurs d’onde plus courtes avec une température de couleur d’environ 6500 K. La lumière du Soleil devient riche en rouge lorsqu’elle est basse dans le ciel et le changement significatif du spectre passe souvent inaperçu en raison de l’adaptation chromatique sélective de notre système visuel.

Depuis les années 1950, les lampes fluorescentes (généralement riches en lumière verte et en spectres de raies) ont été largement utilisées dans les environnements éclairés intérieurs, au moins dans les bureaux et les commerces, mais plutôt rarement dans les foyers – avec peut-être une exception – dans la cuisine (expérience américaine). Mais la « révolution » de l’optique dans les années 1960 – largement favorisée par l’invention du laser – a donné naissance à d’autres technologies optiques, notamment le développement de nouveaux types de lentilles et de filtres, l’holographie et les diodes électroluminescentes (DEL). Les LED étaient beaucoup plus efficaces sur le plan énergétique que les sources incandescentes, mais elles ne pouvaient initialement émettre que des bandes de longueurs d’onde très étroites, c’est-à-dire des LED visibles unicolores, jusqu’à l’invention des LED multi-puces et des LED fluorescentes pompées dans le bleu-violet pour produire une lumière  » blanche « .

Au cours de ce siècle, l’accent mis par les gouvernements sur les économies d’énergie a conduit à des pressions pour employer des lampes fluorescentes compactes (LFC) et des LED  » blanches  » pour l’éclairage. L’éclairage à semi-conducteurs par LED, qui est encore plus économe en énergie que les CFL, commence maintenant à dominer le marché. Cependant, les premières lampes fluocompactes et les LED « blanches » ont des distributions spectrales de puissance très riches en bleu (figure 1). Certains consommateurs ont commencé à se rebeller contre ces lampes riches en bleu et ont exigé des sources lumineuses moins  » dures « , moins  » bleues froides « . Vous trouverez désormais des LED et des LFC dont l’émission bleue est fortement réduite. Néanmoins, au cours des 60 dernières années, la température de couleur des sources artificielles n’a cessé d’augmenter et la « pollution lumineuse » nocturne s’est accrue. Le ciel nocturne de l’Europe occidentale vu de l’espace montre l’énorme impact de l’éclairage électrique (figure 2).

L’optique atmosphérique modifie considérablement la lumière du soleil et fournit parfois de merveilleux spectacles de couleurs, dont l’éclair vert (une grande rareté) ! L’atmosphère agit comme un prisme doux : l’indice de réfraction varie légèrement avec la longueur d’onde, ce qui exagère l’image du Soleil au ras de l’horizon. Les différentes couleurs sont déformées à des degrés différents par l’atmosphère et l’image du Soleil est déformée de ~0,6° à l’horizon, de sorte que le Soleil se couche réellement avant que son image réfractée ne se couche ! L’image rouge se couche en premier, suivie par le vert qui n’est vu que pendant une fraction de seconde et la lumière bleue n’apparaît pas parce qu’elle a été dispersée.3

Vues historiques

Depuis les temps primitifs, les humains se sont demandés juste « Qu’est-ce que la lumière ? ». Bibliquement (King James ‘Authorized Version’, Cambridge Edition)-Genèse 1 : 3 (jour 4) dit : Dieu dit : « Que la lumière soit ! » Et la lumière fut ! De nombreux grands esprits ont élaboré des théories sur la lumière (figure 3). La réflexion grecque classique sur la question « Qu’est-ce que la lumière ? » a conduit Platon (428-328 av. J.-C.) à la théorie selon laquelle la lumière a pour origine des « rayons de sensation » provenant des yeux et dirigés vers ce que l’on observe. Il s’est apparemment inspiré du fait que la lumière est produite à l’intérieur de l’œil par des phosphènes de pression. Bien que cette notion semble aujourd’hui étrange, cette description a dominé la pensée occidentale pendant près de deux millénaires. Au XVIIe siècle, une controverse s’est engagée pour savoir si la lumière était une onde ou un flux de particules. Sir Isaac Newton a soutenu, ici à Cambridge, que les phénomènes de diffraction de Grimaldi démontraient simplement une nouvelle forme de réfraction. Newton affirmait que la nature géométrique des lois de la réfraction et de la réflexion ne pouvait s’expliquer que si la lumière était composée de « corpuscules » (particules), car les ondes ne se déplacent pas en ligne droite. Après avoir rejoint la Royal Society de Londres en 1672, Newton a déclaré que la quarante-quatrième d’une série d’expériences qu’il venait de réaliser avait prouvé que la lumière était composée de corpuscules et non d’ondes. Cependant, sur le continent, la théorie ondulatoire de la lumière semble s’imposer. Christiaan Huygens, un physicien hollandais (à l’époque, la physique était appelée « philosophie naturelle »), publia son Traité de la lumière en 1690, qui soutenait la théorie ondulatoire. Ce n’est que lorsque Sir Thomas Young a clairement démontré l’interférence des ondes (Experiments and Calculations Relative to Physical Optics, 1804)4 que la théorie ondulatoire a été pleinement acceptée, et cette théorie s’est imposée au moins jusqu’à la fin du XIXe siècle. Un autre physicien éminent de Cambridge était James Clerk Maxwell qui, au milieu du XIXe siècle, a dérivé ses règles universelles de l’électricité et du magnétisme qui prédisaient les ondes électromagnétiques et le spectre électromagnétique (figure 4). En effet, vers 1800, l’existence des rayonnements ultraviolets et infrarouges avait été découverte par Ritter5 et Herschel,6 respectivement.

Au tournant du XIXe siècle (1899-1901), une crise s’est développée dans la physique classique. Les physiciens ont dû faire face à une très grande énigme : dans certaines expériences comme l’interférence et la diffraction, la lumière se comportait comme des ondes. Cependant, dans d’autres expériences, comme l’effet photoélectrique, la lumière semblait se comporter comme des particules. L’effet photoélectrique a été observé dans certains métaux lorsqu’ils étaient exposés à un faisceau de lumière. Mais seules les longueurs d’onde plus courtes produisaient un photocourant dans le métal, tandis que la lumière de plus grande longueur d’onde (rouge) – même à haute intensité – ne produisait pas de photocourant. Cette curieuse observation étayait fortement la théorie quantique du rayonnement. Certains physiciens allemands ont théorisé qu’un photon unique (particule de lumière) a une énergie quantique Qν qui est directement proportionnelle à la fréquence f (parfois symbolisée par la lettre grecque, ν) de l’onde :

Qν=h × f,

où h est connue comme la  » constante de Planck « . Cela a conduit au concept de  » dualité onde-particule « 

Les physiciens ont finalement atteint un consensus selon lequel la lumière pouvait être caractérisée simultanément comme un flux de particules et une onde. Certains aspects de la théorie quantique sont assez étranges, et nous n’approfondirons pas la question, mais même Einstein avait des problèmes pour accepter la théorie quantique. Mais c’est Einstein qui a théorisé que la vitesse de la lumière dans le vide ne pouvait pas être dépassée – et qui a également (en 1916) prédit  » l’émission stimulée de rayonnement « , qui était la base théorique du laser.7

La plupart des gens savent que la vitesse de la lumière est une constante – environ 300 000 km/s dans le vide, mais 299 000 km/s dans l’air et ralentit encore plus dans les milieux plus denses, par exemple, ~225 000 km/s à l’intérieur de l’œil. Le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et celle dans un milieu est l' »indice de réfraction n ». Il y a quelques mois à peine, une équipe de l’École polytechnique de Lausanne a prétendu avoir produit la première photographie de particules et d’ondes lumineuses ! Je ne suis pas sûr d’avoir compris leur technique expérimentale, mais il sera intéressant de voir si d’autres laboratoires peuvent reproduire leurs résultats et confirmer leur interprétation de leurs images. La figure 5 fournit une échelle pour comparer la dimension d’une longueur d’onde de la lumière.

Théorie quantique et émission stimulée

À l’échelle atomique, des photons sont émis lorsqu’un électron saute sur une orbitale d’énergie inférieure de l’atome. L’émission stimulée d’un photon ne peut se produire que si un photon initial de l’énergie exacte passe devant un atome excité. Les atomes sont généralement excités par l’absorption d’un photon qui élève l’atome à un niveau d’énergie supérieur, suivie de l’émission spontanée d’un photon lorsque l’atome descend à un niveau d’énergie inférieur, sauf en cas d’émission stimulée. Avec une cavité résonnante correctement construite, une cascade d’émissions stimulées peut se produire et produire un faisceau laser. Le véritable avantage d’une source laser est sa très haute radiance (luminosité). Pratiquement toutes les applications d’un laser, qu’il s’agisse de pointeurs laser, de télémètres laser, de l’écriture et de la lecture de CD ou de la fusion laser, ne sont possibles que grâce à la très haute luminosité du laser. Un pointeur laser de 1 mW a une luminosité (radiance) au moins 10 fois supérieure à celle du Soleil.

Quelles sont les limites du spectre visible?

Il n’y a pas vraiment de limites convenues au spectre visible. La CIE définit le « rayonnement visible » (numéro de terme ILV 17-1402) comme « tout rayonnement optique capable de provoquer directement une sensation visuelle ». La définition de la CIE ajoute la note suivante : « Il n’existe pas de limites précises pour la gamme spectrale du rayonnement visible, car elles dépendent de la quantité de puissance radiante qui atteint la rétine et de la sensibilité de l’observateur. La limite inférieure est généralement comprise entre 360 et 400 nm et la limite supérieure entre 760 et 830 nm ». Les limites de la visibilité ont longtemps constitué un intérêt personnel. Lorsque j’étais un jeune scientifique d’environ 24 ans, j’ai réalisé une expérience pour déterminer la plus courte longueur d’onde que je pouvais voir après avoir examiné des rapports antérieurs sur le sujet.8, 9, 10 Je pouvais obtenir une image de la fente d’un monochromateur double jusqu’à 310 nm, et j’étais certain que j’obtenais vraiment une image de 310 nm et non de la lumière parasite de plus grandes longueurs d’onde, car j’ai placé un certain nombre de filtres spectraux dans le faisceau sans que le seuil de détection ne change. Mais aujourd’hui, à 74 ans, je ne peux même pas voir 400 nm très facilement ! Avec l’âge, l’accumulation de protéines absorbant les UV – dont beaucoup sont des fluorophores – dans mes lentilles cristallines intactes bloque la plupart des longueurs d’onde des UV-A (315-400 nm) et je ressens plus de trouble dû à la fluorescence du cristallin que lorsque je suis plus jeune. Tout le monde peut ressentir une fluorescence du cristallin11 due aux UV-A (315-400 nm). Zuclich et al12 ont quantifié la fluorescence du cristallin due aux UV-A et ont constaté qu’elle varie peu avec l’âge. Weale13 a estimé que la fluorescence du cristallin interférait avec la performance visuelle. Les insectes sont assez sensibles aux UV et c’est la base des pièges à insectes à lumière UV. On pense que les abeilles utilisent les UV polarisés de la lumière du ciel pour naviguer, mais les humains ne font probablement pas sciemment usage du ciel violet polarisé, bien que certaines caractéristiques polarisantes de la cornée humaine produisent des brosses de Haidinger.14 Pendant la Seconde Guerre mondiale, on s’est inquiété du fait que la préexposition aux ultraviolets diminuait la vision nocturne,15 mais même le célèbre spécialiste de la vision, George Wald, a soutenu avec un étudiant diplômé de l’Université de Rochester que cette découverte était ridicule car le cristallin bloquait l’exposition aux UV-A rétiniens. Apparemment, le professeur Wald ne pensait pas de manière logarithmique dans ce cas, car près de 1 % des UV-A sont transmis, et avec des énergies photoniques plus élevées provenant des longueurs d’onde UV plus courtes, il n’était pas invraisemblable que le rayonnement UV-A puisse affecter les photorécepteurs des bâtonnets.16 Une petite tempête s’est poursuivie avec Wolf17 qui a confirmé la diminution de la vision nocturne, mais même plus tard, Wald18 a soutenu que ce n’était pas un effet significatif ou permanent. Tan19 a plus tard mesuré la vision grisâtre chez des individus aphaques qui ont confirmé les pics de réponse UV-A secondaires de chaque photorécepteur à cône.

Seeing infrared ‘light’

Après plusieurs histoires curieuses de soldats voyant des lasers infrarouges dans les années 1970, mon groupe a démontré la détection visuelle à près de 1100 nm (J Opt Soc Amer 1976). La figure 6 montre l’extension de la réactivité spectrale de la vision bien dans l’infrarouge. Cette expérience n’a pas été facile. Nous avons séparé le laser de 8 m de l’observateur pour réduire la lumière de pompage (la lumière de pompage diminue rapidement avec la distance mais pas l’irradiance du faisceau laser), et nous avons utilisé des filtres infrarouges à bande étroite, empilés jusqu’à ce que le même seuil soit mesuré sans l’ajout d’un autre filtre (figure 7). Il est intéressant de noter que, comme pour les autres longueurs d’onde visibles, l’identification des couleurs était difficile au seuil pour une source ponctuelle20, mais que si nous dépassions le seuil et, en particulier, si nous élargissions la taille de la source à partir d’un  » point « , nous pouvions toujours voir du rouge, ce qui suggère que les cônes rouges étaient activés. De plus, nous avons mené des expériences qui ont confirmé les rapports d’observations nocturnes sur le terrain selon lesquels on pouvait voir de la lumière  » verte  » à l’intérieur du faisceau d’un laser Nd:YAG à courtes impulsions à plusieurs kilomètres de distance. Nous avons pu confirmer que si l’on observe directement la longueur d’onde d’émission dans le proche infrarouge de 1064 nm d’un laser Nd:YAG déclenché (~10-20 ns), on observe une lumière verte, qui, lorsqu’on la fait correspondre à la couleur d’un monochromateur à ondes entretenues, apparaît comme une lumière verte de 532 nm. Cela nous a démontré que la génération de seconde harmonique se produisait dans les tissus oculaires, probablement au niveau de la rétine. Une seconde harmonique n’a pas été observée dans le laser à rubis (694 nm), démontrant la faible efficacité de ce processus non linéaire.

Dans un article publié en décembre dernier, Palczewska et al21 ont soutenu que la vision infrarouge est le résultat d’une isomérisation à deux photons ; cependant, comme ils n’ont employé que des trains d’impulsions femtosecondes (10-12 s) d’un laser infrarouge, ils n’ont pas pu exclure les processus non linéaires. Leurs expériences étaient bonnes, mais à mon avis, leurs interprétations semblent défectueuses, car ils n’ont pas tenu compte de l’impact de la puissance de pointe de leur laser, qui était de 67 000 au-dessus de la moyenne. Ils ne pouvaient pas supposer que leur laser de 200 fs et 75 MHz était équivalent à une source continue (avec un rapport cyclique de seulement 1,5 × 10-5), les effets non linéaires n’étaient donc pas surprenants. Leur puissance moyenne de 1 mW entrant dans l’œil avait en fait une puissance de crête de 66 W, produisant une irradiance rétinienne >13 MW/cm2 dans une taille de tache rétinienne minimale de ~25 μm !

Nous pouvons conclure que la visibilité de la lumière en dehors de la plage bien acceptée d’environ 380-780 nm dépend de la luminosité (radiance) de la source, mais est limitée dans l’enfance à environ 310 nm à la longueur d’onde courte du spectre visible à peut-être ~1100 nm dans le proche infrarouge. Il n’existe tout simplement pas de véritable ligne de démarcation entre le « visible » et l’infrarouge. La visibilité d’une longueur d’onde infrarouge A (IR-A) ne dépend simplement que de la luminosité (radiance) de la source par rapport à la luminance ambiante.

Bandes spectrales photobiologiques de la CIE

La CIE a développé quelques notations abrégées utiles pour la photobiologie dans les années 1930. Il s’agit des UV-C de 100 à 280 nm (fortement actiniques, germicides, avec une frontière de courte longueur d’onde avec la région des rayons X mous), des UV-B entre 280 et 315 nm avec des effets actiniques et photocarcinogènes, et des UV-A entre 315 et 400 nm, caractérisés comme faiblement actiniques et jouant un rôle majeur dans les effets photodynamiques et les photosensibilisateurs. Le spectre visible chevauche intentionnellement les UV-A (de ~360-380 à 400 nm dans le violet profond) et bien dans la bande spectrale du proche infrarouge (IR-A), qui commence à 780 nm. À la surprise des photobiologistes, les limites de ces bandes spectrales de la CIE ont parfois suscité des controverses dans le secteur industriel. Il existe en fait une « norme » plutôt infâme publiée par l’Organisation internationale de normalisation (ISO) qui a tenté de modifier les définitions traditionnelles de la CIE des UV-A qui existaient depuis >75 ans (ISO-20473-2007). Le comité technique de l’ISO, TC172 (optique), a préparé cette norme de bande spectrale en redéfinissant les UV-A à <380 nm plutôt que la définition de 400 nm de la CIE et a tenté de suggérer une frontière fine entre le visible et le début à 380 nm.22 Les principaux membres de l’industrie ophtalmique du comité ont favorisé les lentilles ophtalmiques et les lunettes de soleil qui pouvaient répondre à des critères beaucoup plus indulgents en matière de  » blocage des UV ! « 

La CIE identifie trois bandes spectrales infrarouges basées en grande partie sur les variations spectrales de l’absorption des infrarouges par l’eau. L’IR-A s’étend de 780 à 1400 nm (longueurs d’onde métavisibles), qui sont bien transmises par l’eau et qui atteignent la rétine à travers les milieux oculaires. Comme indiqué précédemment, un très faible stimulus visuel existe même à 1100 nm. L’IR-A pénètre profondément dans les tissus biologiques et est donc utilisé dans les diagnostics et les traitements de la peau. L’infrarouge B se situe entre 1,4 μm (1400 nm) et 3,0 μm (infrarouge moyen), et ces longueurs d’onde n’atteignent pas la rétine mais pénètrent jusqu’à quelques mm dans la peau et les tissus oculaires. L’infrarouge C est un vaste domaine spectral, qui s’étend de 3,0 à 1000 μm (1 mm). Ces longueurs d’onde de l’infrarouge lointain sont absorbées très superficiellement (<1 mm). L’infrarouge extrême C est également appelé rayonnement térahertz (THz).

Mesure de la lumière-les termes radiométriques et photométriques normalisés de la CIE

La CIE définit deux systèmes distincts pour mesurer la lumière : le système photométrique et le système radiométrique. Le système radiométrique est basé sur des unités physiques fondamentales (tableau 1). Le système photométrique est utilisé dans la conception de l’éclairage et l’ingénierie de l’illumination et est basé sur une réponse spectrale (V(λ)) approximative, mais normalisée, de la lumière du jour (vision photopique) avec les unités suivantes : lumens (puissance lumineuse Φv), lux (lm/m2 pour l’éclairement Ev), candelas (lm/sr pour l’intensité lumineuse Iv), et nits (cd/m2 pour la luminance Lv, c’est-à-dire la « luminosité »). Le système radiométrique est employé par les physiciens pour quantifier l’énergie rayonnante indépendamment de la longueur d’onde ; alors que les grandeurs photométriques ne sont utilisées que pour la lumière visible, les grandeurs et unités radiométriques s’appliquent également dans les régions spectrales ultraviolette et infrarouge23. Des termes, quantités et unités détaillés sont fournis en ligne dans l’ILV électronique de la CIE à http://eilv.cie.co.at/, et ceux-ci sont largement utilisés dans les normes internationales (ISO et CEI).

Calcul des expositions rétiniennes

L’irradiance rétinienne Er est directement proportionnelle à la radiance (luminosité) L de la source observée. L’irradiance rétinienne Er en W/cm2 est :

Er=0,27 × L × τ × de2

où L est la radiance en W/cm2/sr, τ est la transmittance des milieux oculaires et de est le diamètre de la pupille en cm. Deux personnes regardant la même scène peuvent facilement avoir une taille de pupille suffisamment différente pour avoir une irradiance rétinienne différant d’un facteur 2 (100%)!

L’éclairement rétinien (mesure photométrique) est mesuré en Trolands (td) et correspond à la luminance L (cd/m2) de la source regardée, multipliée par le carré du diamètre de la pupille (en mm). Cette unité a été largement utilisée dans les études sur la « cécité au flash » et dans certains domaines de la recherche sur la vision. L’irradiance rétinienne de l’éclairage extérieur ambiant est de l’ordre de 0,02-0,1 mW/cm2 et ces niveaux sont tout juste confortables à regarder. L’éclairement rétinien en extérieur est de ~5 × 104 td. L’observation directe de l’image du soleil de midi, dont la radiance est un million de fois supérieure à celle du ciel bleu ou de la majeure partie de l’environnement extérieur, peut entraîner une irradiance rétinienne de ~6 W/cm2 ou ~3 × 107 Td pour une pupille de 1,6 mm. Les études sur la cécité éclair citent normalement ~107 Td × s comme étant un « blanchiment complet », qui se produirait en un tiers de seconde.