Quel phénomène optique se produit lorsque la lumière est déviée en passant d'un milieu à un autre avec des indices de réfraction différents ?

La réfraction est le changement de direction et de vitesse que subit la lumière lorsqu’elle traverse la séparation entre deux milieux transparents dont les indices de réfraction sont différents. Elle intervient chaque fois que la lumière passe, par exemple, de l’air à l’eau, du verre à l’air ou d’un type de verre à un autre. La déviation n’a toutefois pas lieu dans toutes les situations : lorsque le rayon arrive perpendiculairement à la surface, sa vitesse change, mais sa direction reste la même.

Une déviation régie par une loi précise

L’indice de réfraction d’un milieu caractérise notamment la vitesse de propagation de la lumière dans ce milieu : plus cet indice est élevé, plus la lumière s’y propage lentement. À l’interface, la fréquence de la lumière reste généralement inchangée, tandis que sa longueur d’onde varie. Pour une incidence oblique, un passage vers un milieu d’indice plus élevé dévie le rayon vers la normale à la surface ; un passage vers un milieu d’indice plus faible le dévie à l’écart de cette normale. Ces relations sont décrites par la loi de Snell-Descartes, selon laquelle les angles d’incidence et de réfraction dépendent des indices des deux milieux. L’importance de la déviation ne dépend donc pas uniquement de l’indice : elle varie aussi selon l’angle d’arrivée et le contraste entre les deux milieux.

Le rôle des lentilles et des instruments optiques

Les lentilles exploitent la réfraction pour modifier la direction des rayons lumineux et former des images. Leur surface courbe et leur indice de réfraction déterminent la manière dont les rayons convergent ou divergent. Les lunettes corrigent ainsi certains défauts de la vision, tandis que les objectifs des appareils photo, des microscopes et des télescopes utilisent plusieurs lentilles pour produire une image nette et agrandie ou réduite. Un objet plongé dans l’eau peut également sembler plus proche ou sa position apparente peut paraître déplacée : cette illusion résulte du changement de direction des rayons lorsqu’ils sortent de l’eau et atteignent l’œil.

Réfraction et réflexion totale dans les fibres

La réfraction joue aussi un rôle dans les fibres optiques, notamment lorsque la lumière y entre et lorsque sa trajectoire est guidée par la différence d’indice entre le cœur et la gaine. Cependant, le mécanisme principal qui maintient la lumière à l’intérieur de la fibre est la réflexion totale interne. Celle-ci se produit lorsqu’un rayon passe d’un milieu d’indice plus élevé vers un milieu d’indice plus faible avec un angle suffisamment grand : au lieu de sortir, il est entièrement réfléchi. Il est donc plus exact de distinguer la réfraction, qui dévie la lumière au passage d’une interface, de la réflexion totale, qui permet son confinement dans de nombreuses fibres optiques.

Des manifestations dans la nature

Plusieurs phénomènes naturels combinent la réfraction avec d’autres effets optiques. Dans un arc-en-ciel, la lumière solaire est réfractée en entrant dans les gouttes d’eau, réfléchie à l’intérieur de celles-ci, puis à nouveau réfractée en ressortant. La dispersion, liée au fait que les différentes longueurs d’onde ne sont pas déviées exactement de la même manière, sépare alors les couleurs. Les halos autour du Soleil ou de la Lune sont principalement produits par la réfraction de la lumière dans des cristaux de glace présents dans l’atmosphère. Les mirages, quant à eux, sont dus à la réfraction progressive des rayons dans des couches d’air dont la température et l’indice de réfraction varient avec l’altitude : la lumière suit alors une trajectoire courbe, donnant l’impression que le sol, l’eau ou certains objets se trouvent à une autre position.