1.2 Fonctionnement
*réalisé sans trucages
Le principe de base de la fibre optique est la réfraction de la lumière.
La réfraction est la déviation de rayons lumineux passant d’un milieu à un autre.
Par exemple, sur la photo, les différents milieux sont l’air et l’eau.
Sur la première photo, on voit la paille "se décaler" lorsque nous la plongeons dans l'eau.
Alors que sur la deuxième photo, nous pouvons très bien voir que la paille est tout à fait normale.
Pour faire simple, la lumière de la salle permet à la paille de renvoyer la lumière, ces rayons renvoyés sont les rayons incidents et lorsque les rayons passent de l'eau à l'air, leur trajectoire est déviée et donc nous voyons la paille "cassée".
Sur le schéma ci-contre, on peut voir la réfraction schématisé de la paille.
schématisation de la réfraction de la paille dans l'air et dans l'eau
La réfraction, cas général :
La lumière est déviée lorsqu'elle passe d'un milieu transparent à un autre (par exemple : de l'air à l'eau, ou le contraire…).
Un rayon lumineux (rayon incident, en vert sur le schéma) est réfléchi (rayon réfléchi, en bleu) et en traversant l'autre milieu va être réfracté en fonction de l'indice de milieu de ce deuxième milieu (rayon réfracté, en rouge)
A partir de ce phénomène, Descartes a écrit une loi:
ni x sin i = nr x sin r
i est l'angle d'incidence.
r est l'angle réfracté.
n est l'indice de milieu.
Les lois indiquent aussi que l'angle de réflexion (i3) est égale à l'angle d'incidence (i1).
1° Angle limite de réfraction
Plus l'angle d'incidence est grand, plus la déviation du rayon lumineux est importante (l’angle réfracté est important).
Pour un angle d'incidence de 90°, c'est-à-dire lorsque le rayon incident rase la surface du dioptre, l'angle de réfraction atteint sa valeur maximum : c'est l'angle limite de réfraction.
Sachant que sin (90°) = 1, en le remplaçant dans la formule, et comme n est un rapport entre les indices de réfraction des milieux traversés on peut déterminer la valeur de l'angle limite r :
sin i / sin r = n => sin r = sin i / n
;
En prenant l’exemple d’un passage de l’eau à l’air : n = n(eau)/n(air)=1.333/1 = 1.333
sin i / n = sin i / 1.333 => sin r = 0.666 => r = 48°
Nous pouvons conclure que l'angle limite de réfraction dépend des milieux traversés par la lumière.
2° Réflexion totale
Nous pouvons dire, par ce qui précède, que seuls les rayons formant un angle d'incidence inférieur à r, sortiront du milieu 1 . Si l'incidence est plus importante que r, le rayon reste dans le milieu 1 en étant réfléchi sur sa surface comme sur un miroir. C'est la réflexion totale.
Deux conditions sont indispensables pour qu'il y ait réflexion totale :
-le rayon lumineux doit passer d'un milieu plus réfringent vers un milieu moins réfringent. n1>n2
-l'angle d'incidence doit être plus grand que l'angle limite de réfraction.