La dispersion est un phénomène associé à la réfraction de la lumière. Bien qu'il puisse se produire avec n'importe quel type d'onde et avec n'importe quelle longueur d'onde de lumière, il est souvent discuté par rapport à la lumière visible. La dispersion, après tout, est la raison des arcs-en-ciel !
Définition de la dispersion
Dispersion, parfois plus spécifiquement appeléedispersion chromatique, se produit lorsque les vitesses des différentes composantes d'une onde lumineuse dépendent des longueurs d'onde de ces composantes. Des types spécifiques de dispersion chromatique sont définis par ce qui cause la dépendance de la vitesse à la longueur d'onde.
Types de dispersion
Pourdispersion de matière, cela signifie que l'indice de réfraction d'un matériau diffère légèrement en fonction de la longueur d'onde. (Rappelons que l'indice de réfraction est n = c/v, oùcest la vitesse de la lumière dans le vide etvest la vitesse de la lumière dans le milieu donné.)
La quantité de lumière réellement dispersée par un matériau est mesurée par un paramètre appelé nombre d'Abbe. Pour calculer le nombre d'Abbe, il faut mesurer plusieurs indices de réfraction dans le matériau qui proviennent des émissions lumineuses caractéristiques de certains éléments; ces émissions lumineuses ne se produisent qu'à certaines longueurs d'onde exactes, créant des raies individuelles à chacune de ces longueurs d'onde dans le spectre, et le motif de ces raies est unique à chaque élément.
Les indices de réfraction nécessaires pour calculer le nombre d'Abbe sont: l'indice du bleuFligne d'hydrogène, le jaunerélignes de sodium et la ligne rouge C de l'hydrogène. Il s'agit de trois longueurs d'onde de lumière différentes qui auront toutes des indices de réfraction différents dans le milieu, et le nombre d'Abbe pour le milieu est ensuite calculé à l'aide de l'équation suivante :
v=\frac{n_D-1}{n_F-n_C}
Si un matériau a un nombre d'Abbe inférieur, il aura plus de dispersion sur le spectre visible.
Dispersion du guide d'ondesC'est lorsque la vitesse d'une onde lumineuse dans un guide d'ondes dépend de sa fréquence en raison de la géométrie de la structure du guide d'ondes. Dans une fibre optique, à la fois le matériau et la dispersion du guide d'ondes sont généralement présents.
La dispersion du matériau se produit en raison de différents indices de réfraction dans un milieu en fonction de la longueur d'onde; la dispersion du guide d'ondes se produit en raison de la structure du guide d'ondes provoquant le déplacement de la lumière de différentes longueurs d'onde à différentes vitesses. Un autre type de dispersion est appelédispersion de mode de polarisation, où la vitesse d'une onde lumineuse dépend de sa polarisation dans le milieu.
Un type de dispersion légèrement plus complexe estdispersion de vitesse de groupe. Les ondes lumineuses peuvent voyager en « paquets d'ondes », également appelés « signaux » ou « impulsions », et la vitesse de ces impulsions est appelée vitesse de groupe. Dans les impulsions se trouvent des composantes d'onde de différentes fréquences; la dispersion de la vitesse de groupe se produit lorsque ces composants commencent à se séparer en raison d'avoir des vitesses différentes dans le milieu. Le pouls commence alors à "s'étaler", perdant des informations. Cette dégradation du signal est un gros problème dans les systèmes de communication optique qui utilisent des fibres optiques.
La loi de Snell
La quantité de lumière courbée lors du passage d'un milieu à un autre est déterminée par la loi de Snell. Pour un angle d'incidenceθjeet angle de réfractionθr,
n_i\sin{\theta_i}=n_r\sin{\theta_r}
oùmjeest l'indice de réfraction du milieu incident etmrest l'indice de réfraction du second milieu.
Si une onde lumineuse passe d'un milieu avec un indice de réfraction élevé à un milieu avec un indice beaucoup plus faible, avec un angle d'incidence suffisamment grand, la loi de Snell exige que le sinus de l'angle de réfraction soit supérieur à 1. C'est techniquement impossible, et cela signifie que l'onde lumineuse ne se reflétera pas du tout; en fait, il reflétera entièrement la frontière entre les deux médiums. C'est ce qu'on appelle la réflexion interne totale.
Plusieurs scientifiques ont découvert indépendamment cette loi au cours de l'histoire, dont René Descartes.
Prismes triangulaires et arcs-en-ciel
L'indice de réfraction dans les matériaux a tendance à être plus élevé pour la lumière bleue de longueur d'onde plus courte et plus faible pour la lumière rouge de longueur d'onde plus longue. Cela signifie que la lumière bleue voyagera plus lentement à travers un milieu dispersif que la lumière rouge.
Lorsque la lumière blanche est incidente sur un prisme triangulaire, par exemple, la dispersion des différentes longueurs d'onde provoque la séparation de la lumière par différentes couleurs, créant un arc-en-ciel.