Qu'est-ce que la réflexion interne totale ?
La réflexion interne totale est un phénomène lumineux dans lequel la lumière d'un milieu se réfléchit complètement dans le milieu à partir de son environnement.
La réflexion interne totale se produit lorsque l'angle entre la lumière incidente et la normale de la frontière(θ1) est supérieur à l'angle critique θc . L'effet consiste à ce que aucune lumière ne soit réfractée dans le second milieu et que toute la lumière soit réfléchie.
L'angle critique θc est le nom donné à l'angle incident qui produit un angle de réfraction de 90°.
L'indice de réfraction n spécifie la vitesse à laquelle la lumière peut traverser le milieu. L'indice de réfraction et la vitesse de la lumière dans le milieu sont inversement proportionnels.
Examinons le diagramme ci-dessous où le faisceau lumineux passe d'un milieu qui a un indice de réfraction de n1 à un second milieu qui a un indice de réfraction de n2 et dont n2 < n1.
Les miroirs que nous utilisons au quotidien reflètent environ 90 % de la lumière qui leur tombe dessus et absorbent le reste. Cette partie "absorbée" de la lumière est réfractée, comme le montre la figure 1 (a). Comme l'indice de réfraction de la deuxième frontière n2 est inférieur à l'indice de réfraction de la première frontière, l'angle de réfraction θ2 est plus grand que l'angle incident θ1.
Lorsque l'angle incident θ1 augmente, l'angle de réfraction θ2 augmente également. Cependant, celui-ci ne peut atteindre que 90°, ce qui se produit lorsque l'angle incident est égal à l'angle critique θc (figure 1 (b)).
La réflexion interne totale de la lumière se produit lorsque l'angle incident de la lumière θ1 est plus grand que l'angle critique θc (figure 1 (c)). La réflexion interne totale dépend de la loi de Snell, qui stipule que la relation entre l'angle d'incidence et l'angle de réfraction peut être exprimée comme suit :
\[n_1 \cdot \sin \theta_1 = n_2 \cdot \sin \theta_2\]
La loi de Snell stipule qu'entre deux milieux donnés, les sinus des angles d'incidence et de réfraction sont constants.
Comme nous l'avons dit, l'angle de réfraction est de 90° lorsque l'angle incident est égal à l'angle critique ou θ1 = θc. Comme sin(90°) = 1, l'équation est la suivante :
\[n_1 \cdot \sin \theta_1 = n_2\].
Ainsi, l'angle critique entre les limites de deux matériaux lorsque n1 > n2 peut être déterminé à l'aide de l'équation suivante :
\[\theta_c = \sin^{-1} \Big(\frac{n_2}{n_1} \Big)\N].
Notons que deux conditions doivent être remplies pour que la réflexion interne totale de la lumière se produise. (1.) L'angle incident doit être supérieur à l'angle critique : θ1 > θc. (2.) L'indice de réfraction du milieu initial doit être supérieur à l'indice de réfraction du second milieu : n1 > n2.
Qu'est-ce qu'une fibre optique ?
Les fibres optiques ou fibres optiques ont des applications dans divers domaines, tels que les communications pour transmettre des signaux téléphoniques, des signaux de câble, des signaux de télévision, l'Internet et des signaux médicaux. Ces fibres sont très fines, ce qui permet à la lumière d'entrer d'un côté et de frapper l'intérieur de la fibre avec un angle supérieur à l'angle critique, ce qui fait qu'elles traversent la fibre et en sortent avec le même angle que l'angle d'entrée.
Les endoscopes sont des appareils utilisés en physique médicale pour visualiser les passages intérieurs du corps humain. Dans les endoscopes, les fibres optiques sont recouvertes d'un matériau appelé gaine.
Lagaine est le revêtement à l'extérieur des fibres optiques qui ont un indice de réfraction plus petit que le matériau à l'intérieur de la fibre optique et qui empêche donc la lumière d'être réfractée entre les fibres d'un faisceau.
Alors que la lumière dont l'angle d'incidence est supérieur à l'angle d'acceptation maximal θa est partiellement réfractée à l'extérieur de la fibre, la lumière dont l'angle d'incidence est supérieur à l'angle d'acceptation maximal θa est partiellement réfractée à l'intérieur de la fibre. Après plusieurs rencontres avec l'interface cœur-gaine de la fibre, la lumière résiduelle partiellement réfléchie est finalement perdue. L'exigence d'une réflexion interne de 100 % au contact entre le cœur et la gaine détermine l'angle d'acceptation maximal θa.
Pour déterminer l'angle d'acceptation θa, il faut regarder l'équation qui donne l'angle critique θc.
\[\sin(\theta_c) = \frac{n_2}{n_1}\]
Comme tu peux le voir sur la figure 2, θc' = 90°-θc. L'équation nous aide donc à déterminer l'angle d'acceptation θa, en supposant que la fibre se trouve dans l'air avec un indice de réfraction de 1. On peut l'exprimer comme suit :
\[\sin(\theta_a) = \frac{n_1}{1} \cdot \sin(\theta'_c)\].
Comme nous l'avons déjà noté, la lumière sort de la fibre sous le même angle que celui sous lequel elle y est entrée, ce qui signifie que θa = θa'.
- En conclusion, l'onde lumineuse qui se réfléchit dans les voies de passage du corps humain et qui entre dans la fibre optique de l'endoscope traverse la fibre optique avec une réflexion interne totale. La lumière sort donc de la fibre optique avec le même angle que celui avec lequel elle y est entrée. L'image est donc transférée de manière à ce qu'un observateur puisse l'examiner.
Réflexion interne totale dans une fibre optique - Points clés à retenir.
- La réflexion interne totale est un phénomène lumineux qui se produit lorsque l'angle entre la lumière incidente et la normale à la frontière θ1 est supérieur à l'angle critique θc.
- Une fibre optique est un guide d'ondes non conducteur qui transmet la lumière le long de son axe par réflexion interne totale.
- Les fibres optiques ou fibres optiques ont des applications dans divers domaines, tels que les communications pour transmettre des signaux téléphoniques, des signaux de télévision par câble, l'Internet et des signaux médicaux.
- Pour que la réflexion interne totale de la lumière se produise, l'angle incident θ1 doit être supérieur à l'angle critique θc, et l'indice de réfraction n1 du milieu initial doit être supérieur à l'indice n2 du second milieu.
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