Indice de réfraction
L'indice de réfraction d'un milieu déterminé pour une certaine radiation monochromatique caractérise la vitesse de propagation de cette radiation dans ce milieu.
La réfraction étant un phénomène optique intervenant lors du passage d'un milieu A à un autre B, l'indice de réfraction du milieu A par rapport au milieu B est le rapport des vitesses vB / vA, vA et vB étant les vitesses de la même radiation simple dans les milieux A et B.
Si le milieu B est le vide, la vitesse vB est égale à la constante c = 299 792 458 m/s, et l'indice de réfraction est appelé indice absolu :
- n = c/v,
v étant la vitesse de propagation de la radiation considérée dans le milieu étudié.
La variation de la vitesse de la lumière selon le milieu provient du phénomène d'absorption-réémission de l'onde par les atomes (voir diffusion Rayleigh).
L'indice de réfraction intervient dans la loi de Snell-Descartes pour la réfraction (voir optique géométrique) : lorsqu'une onde passe d'un milieu 1 (indice de réfraction n1) à un milieu 2 (indice n2), si l'on appelle θ1 l'angle que fait le rayon (la normale au front d'onde) incident avec la normale du dioptre (surface séparant les milieux) et θ2 l'angle que fait le rayon réfracté avec la normale du dioptre, alors :
- n1.sin(θ1) = n2.sin(θ2) ou
Refraction_snell_descartes.png
À droite : les rayons et angles utilisés dans la loi de Snell-Descartes
La variation de l'indice de réfraction en fonction de la longueur d'onde explique la décomposition de la lumière par un prisme ou par des gouttes d'eau (arc-en-ciel), ainsi que l'aberration chromatique d'une lentille ou d'un dispositif optique de mauvaise qualité.
Les indices de réfraction doivent donc se référer à une radiation monochromatique précise : la raie D de l'hélium (longueur d'onde 587,6 nm), proche du milieu du spectre visible, est utilisée fréquemment comme référence.
La variation de l'indice de réfraction d'un milieu transparent dans le spectre visible est appelée dispersion ; elle est caractérisée par le coefficient de dispersion :
,
F et C désignant deux raies de l'hydrogène (longueurs d'onde λF = 486,1 nm et λC = 656,3 nm)
Pour la radiation D, l'indice absolu nD de l'eau à 20°C est de 1,333 ; celui d'un verre ordinaire est compris entre 1,511 à 1,535. L'indice de l'air est égal à 1,000 292 6 dans les conditions normales de température et de pression ; cet indice dépend de la masse volumique de l'air, et sa variation continue entre des couches d'air de température différente explique les mirages.
Les milieux biréfringents ont deux indices de réfraction, apppelés indice ordinaire et indice extraordinaire, qui correspondent à des rayonnements de polarisations différentes.