réflexion totale interne

La réflexion interne totale se produit à la limite entre deux milieux transparents lorsque la lumière voyageant dans le milieu le plus dense (indice de réfraction plus élevé) frappe l'interface à un angle suffisamment raide pour qu'elle ne puisse pas se réfracter dans le milieu moins dense. Au lieu de cela, toute la lumière rebondit dans le premier milieu comme si la limite était un miroir. Cela ne se produit que lorsque l'angle d'incidence dépasse l'angle critique, qui dépend des indices de réfraction des deux matériaux.

L'angle critique pour toute paire de milieux est trouvé en utilisant l'équation : sin(θc) = n₂/n₁, où n₁ est l'indice de réfraction du milieu le plus dense et n₂ celui du milieu le moins dense. Pour le verre à l'air, avec un verre typique à n=1,5 et l'air à n=1,0, l'angle critique est d'environ 41,8 degrés. En dessous de cet angle, la réfraction se produit et la lumière s'échappe. Au-dessus, la réflexion est totale et sans perte.

Applications pratiques et conception optique

La fibre optique dépend entièrement de la réflexion interne totale. La lumière lancée dans une fibre de verre ou de plastique à un angle faible par rapport à l'axe du cœur frappe la limite cylindrique à des angles dépassant l'angle critique, de sorte qu'elle rebondit à plusieurs reprises sur toute la longueur de la fibre avec une perte minimale. Une seule fibre fine comme un cheveu peut transporter des signaux sur des kilomètres. De même, les cubes de coin et les rétroréflecteurs en arpentage et en astronomie utilisent la réflexion interne totale sur les surfaces des prismes pour renvoyer la lumière le long de son chemin d'entrée avec une grande efficacité et sans avoir besoin d'argenture ou de revêtements.

Dans les systèmes d'imagerie, les prismes utilisés pour la déviation du faisceau ou la rotation d'image exploitent la réflexion interne totale car elle évite l'absorption et la dégradation que les surfaces de miroir revêtues peuvent introduire. Cependant, si de la poussière ou des matériaux s'accumulent sur l'interface, ou si l'angle dérive en dessous de la valeur critique en raison d'un désalignement mécanique ou d'effets thermiques, la réflexion échoue et la lumière s'échappe, provoquant une perte de signal ou des artefacts d'image.

Le phénomène a été décrit quantitativement pour la première fois au 17e siècle, mais n'est devenu industriellement important qu'après la maturité de la fabrication de fibres optiques et d'optiques de précision à la fin du 20e siècle. Aujourd'hui, il est fondamental pour l'infrastructure des télécommunications, les systèmes de livraison laser, les endoscopes et tout dispositif qui doit guider la lumière sur de longues distances ou la rediriger avec une perte minimale.