Réflexion totale interne

La réflexion totale interne peut empêcher un rayon lumineux de produire un rayon transmis propagatif. Elle n’apparaît pas à n’importe quelle interface : il faut à la fois le bon sens de passage entre les indices et un angle suffisamment grand.

Les deux conditions

Below critical at critical and above critical angles n plus faible au-dessusn plus élevé au-dessous θ < θc : réfraction θ = θc : rayon rasant θ > θc : réflexion totale
Deux conditions doivent être réunies : la lumière doit aller du milieu d’indice le plus élevé vers le plus faible, et l’angle d’incidence doit dépasser l’angle critique.

Première condition : n₁ > n₂ dans le sens de propagation. Deuxième condition : l’angle d’incidence θ₁, mesuré par rapport à la normale, dépasse l’angle critique θc.

Angle critique obtenu avec Snell-Descartes

sin θc = n₂/n₁ pour n₁ > n₂.

À θ = θc, l’angle réfracté vaut 90° : le rayon transmis idéal rase l’interface. Au-delà, aucun rayon transmis propagatif n’est permis par la loi de Snell-Descartes.

Explorer l’angle critique

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La réflexion reste une réflexion ordinaire

Le rayon réfléchi vérifie toujours la loi θr = θi. Le mot « totale » signifie qu’il n’existe plus de rayon transmis propagatif dans le modèle idéal d’une interface sans pertes.

Un champ électromagnétique évanescent peut toutefois pénétrer légèrement dans le second milieu avant de décroître rapidement.

Fibres optiques

Light guided inside a higher-index optical fiber core gaine n₂cœur n₁ > n₂les rayons qui atteignent l’interface au-dessus de θc restent guidés
Une fibre utilise un cœur d’indice supérieur à celui de la gaine. La géométrie et l’angle de lancement déterminent quelles composantes lumineuses restent guidées.

Le modèle de rayons en zigzag donne une bonne introduction au guidage. Une fibre réelle transporte des modes électromagnétiques dont le comportement dépend aussi de la longueur d’onde, du diamètre du cœur et du contraste d’indice.

La réflexion totale permet de guider la lumière sur de longues distances avec de faibles pertes, à condition de contrôler la qualité du matériau et les courbures de la fibre.

L’angle critique se mesure depuis la normale

Comme tous les angles de Snell-Descartes, θc est mesuré depuis la normale, jamais depuis la surface. Un rayon presque parallèle à l’interface possède donc un grand angle d’incidence.

Changer le matériau de la gaine modifie le rapport n₂/n₁ et donc l’angle critique.

Exercices résolus

1. Verre vers air

Pour n₁ = 1,50 et n₂ = 1,00, calculer θc.

Solution

θc = arcsin(1,00/1,50) ≈ 41,8°.

2. Air vers verre

La lumière va de l’air (1,00) vers le verre (1,50). Une réflexion totale interne est-elle possible à cette interface ?

Solution

Non. Il faut partir du milieu d’indice le plus élevé.

3. Classer un angle

n₁ = 1,60, n₂ = 1,20 et θ = 55°. Y a-t-il réflexion totale ?

Solution

θc = arcsin(1,20/1,60) ≈ 48,6°. Comme 55° > 48,6°, oui.