Un guide pour la lumière : LA FIBRE OPTIQUE

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1 Un guide pour la lumière : LA FIBRE OPTIQUE
INDICE DE REFRACTION La lumière se propage dans le vide à la vitesse C de km/s : elle peut parcourir plus de 7 fois le tour de la Terre en une seconde ! Dans l’eau, elle va un peu moins vite : seulement km/s, c’est-à-dire 1,33 fois moins vite. Ce rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide (C) et dans un milieu donné (V) est appelé indice de réfraction : n = C/V. Il est toujours supérieur à 1 puisque la lumière ne peut se propager plus vite que dans le vide ! Pour l’air, n ~ 1 (V ~ C); Pour l’eau, n = 1.33 (V = km/s); Pour le verre, n ~ 1.5 (V ~ km/s). REFRACTION, REFLEXION, REFLEXION TOTALE Quand un rayon lumineux passe d’un milieu transparent à un autre, il donne généralement naissance à un rayon réfracté (c’est à dire transmis avec une déviation) et un rayon réfléchi. Expérience avec un faisceau laser dans un aquarium : q REFLEXION TOTALE Pas de rayon réfracté Rayon réfléchi Rayon réfracté Rayon incident EAU (n = 1,33) AIR (n = 1) De l’air vers l’eau : De l’eau vers l’air : Si la lumière se dirige vers un milieu d’indice inférieur (de l’eau vers l’air par exemple), il existe un angle limite q au-delà duquel les rayons sont totalement réfléchis (pas de rayon réfracté). Cet angle est d’autant plus grand que les deux milieux ont des indices différents (q ~ 40° de l’eau vers l’air). GUIDER LA LUMIERE : LA FIBRE OPTIQUE Une fibre optique est le plus souvent constituée de 2 tubes concentriques transparents : le cœur et la gaine (fibres dites à saut d’indice). L’indice de réfraction du cœur étant supérieur à celui de la gaine, si un rayon lumineux pénètre dans la fibre avec une inclinaison assez faible par rapport à la direction du tube, il sera totalement réfléchi à l’interface cœur-gaine et se propagera ainsi sans sortir du cœur jusqu’à l’autre extrémité de la fibre. n coeur gaine Les fibres optiques de très grande qualité (très peu d’absorption) sont fabriquées avec de la silice, matériau transparent proche du verre et de formule chimique SiO2. Leurs dimensions se comparent à la taille d’un cheveux (jusqu’à 5 mm pour le diamètre du cœur). Dans d’autres types de fibres, l’indice change graduellement quand on s’éloigne du cœur (fibres dites à gradient d’indice. En télécommunication : Les fibres optiques permettent de réaliser des réseaux à très haut débit (échange de sons, d’images, etc. à plusieurs Gb/s). L’information est codée en signal électrique, puis transformée en signal lumineux (laser à semi-conducteur) et transportée dans des tubes contenant des faisceaux de fibres optiques. APPLICATIONS DES FIBRES OPTIQUES En médecine : pour le diagnostic : réaliser des images à l’intérieur du corps (endoscopie); - pour le traitement : envoyer un laser intense à l’intérieur du corps pour traiter des tissus (découper une tumeur, pulvériser un calcul rénal, etc.). Et beaucoup d’autres : fontaines lumineuses, signalisation routière, etc. Exemple : le réseau METRONET à Grenoble, avec 60 km de réseaux, km de fibres optiques.