Comment fonctionne un prisme ? Lumière, réfraction et dispersion expliquées

Un prisme fonctionne en courbant la lumière lorsqu'elle traverse le verre, et comme chaque couleur de lumière se courbe selon un angle légèrement différent, la lumière blanche se diffuse dans un spectre visible complet. Ce processus implique deux principes physiques clés : réfraction et dispersion . Comprendre comment ces deux forces interagissent explique tout, des arcs-en-ciel dans le ciel aux expériences laser dans un laboratoire de physique.

Que se passe-t-il lorsque la lumière pénètre dans un prisme

Lorsqu’un rayon de lumière passe de l’air au verre, il ralentit. Le verre est optiquement plus dense que l’air, ce qui signifie que la lumière le traverse à une vitesse inférieure. Ce changement de vitesse provoque une courbure du rayon lumineux à la limite entre les deux matériaux. Cette flexion est appelée réfraction .

L'ampleur de la courbure est décrite par la loi de Snells, qui stipule que le rapport entre le sinus de l'angle d'incidence et le sinus de l'angle de réfraction est égal au rapport des vitesses de la lumière dans les deux milieux. En termes pratiques, la lumière se courbe vers une ligne perpendiculaire à la surface lorsqu’elle entre dans un milieu plus dense et s’en éloigne lorsqu’elle en sort.

Un prisme a la forme d'au moins deux surfaces planes et inclinées. La lumière entre par une face et sort par une autre. Parce que les deux surfaces ne sont pas parallèles, la réfraction qui se produit à l’entrée ne s’annule pas à la sortie. Au lieu de cela, les deux réfractions se combinent, courbant davantage la lumière dans la même direction.

Pourquoi la lumière blanche se divise en couleurs

La lumière blanche n’est pas une seule couleur. C'est un mélange de toutes les couleurs du spectre visible, chacune ayant sa propre longueur d'onde. La lumière violette a une longueur d'onde d'environ 380 à 450 nanomètres, tandis que la lumière rouge se situe à l'autre extrémité, entre 620 et 750 nanomètres.

Le détail critique est que le verre ralentit différentes longueurs d’onde de différentes manières. Les longueurs d'onde plus courtes, comme le violet, ralentissent davantage à l'intérieur du verre et se courbent donc plus brusquement. Les longueurs d'onde plus longues, comme le rouge, ralentissent moins et se plient moins. Cette variation de l'angle de courbure en fonction de la longueur d'onde est appelée dispersion .

Dans un prisme de verre typique, la différence d'indice de réfraction entre la lumière violette et rouge est d'environ 0,02 à 0,05 , selon le type de verre. Cette petite différence est suffisante pour répartir les couleurs dans un arc-en-ciel visible lorsque la lumière sort du prisme.

L'ordre des couleurs dans le spectre

Les couleurs apparaissent toujours dans le même ordre car elles se plient toujours selon des valeurs fixes et prévisibles. Du moins courbé au plus courbé, l’ordre est :

• Rouge
• Orange
• Jaune
• Vert
• Bleu
• Indigo
• Violettete

C’est la même séquence observée dans les arcs-en-ciel naturels, où les gouttelettes d’eau agissent comme de minuscules prismes dans l’atmosphère.

Le rôle de la forme du prisme

La forme triangulaire d’un prisme standard n’est pas fortuite. L'angle au sommet du triangle, appelé angle au sommet ou angle du prisme, contrôle directement la déviation totale subie par la lumière. Un angle au sommet plus grand produit une plus grande séparation entre les couleurs.

La plupart des prismes de démonstration ont un angle au sommet de 60 degrés , qui offre une dispersion forte et facilement visible sans nécessiter une géométrie extrême. Un prisme de 30 degrés dévie la lumière plus doucement, tandis que des angles supérieurs à 70 degrés commencent à provoquer une perte de lumière importante en raison des réflexions internes sur les surfaces.

Le matériau du prisme compte également. Le verre silex dense a un indice de réfraction plus élevé que le verre borosilicaté standard, il disperse donc les couleurs plus fortement. C'est pourquoi les instruments optiques qui nécessitent une séparation précise des couleurs utilisent du verre spécialement formulé plutôt que du verre à vitre ordinaire.

Indice de réfraction comparé entre les couleurs

Même si les différences d'indice de réfraction semblent faibles sur le papier, elles produisent une répartition des couleurs clairement visible lorsque la géométrie du prisme les amplifie sur la face de sortie.

Un prisme peut-il recombiner la lumière en blanc

Oui. Isaac Newton l'a démontré en 1666 en plaçant un deuxième prisme à l'envers sur le trajet du spectre dispersé du premier. Le deuxième prisme a aligné chaque couleur, les recombinant en un seul faisceau de lumière blanche. Cette expérience a prouvé deux choses : la lumière blanche contient toutes les couleurs, et le prisme lui-même n'ajoute pas de couleur à la lumière mais révèle seulement ce qui était déjà présent.

Cette réversibilité est importante dans la conception optique. Les systèmes qui doivent séparer les longueurs d'onde pour l'analyse peuvent ensuite les recombiner sans aucune perte d'informations, en supposant une optique idéale sans aberrations.

Utilisations pratiques des prismes au-delà de la séparation des couleurs

Les prismes ne servent pas seulement à créer des arcs-en-ciel. Ils remplissent diverses fonctions précises dans les instruments et la technologie optiques.

Spectroscopie

Les scientifiques utilisent des spectromètres à prisme pour analyser la lumière émise ou absorbée par les substances. Chaque élément produit un ensemble unique de raies spectrales, agissant comme une empreinte digitale. Les astronomes utilisent cette technique pour déterminer la composition chimique d’étoiles situées à des millions d’années-lumière, sans jamais collecter d’échantillon physique.

Jumelles et périscopes

Utilisation de prismes de toit et de prismes de Porro à l'intérieur des jumelles réflexion interne totale plutôt que la dispersion. Lorsque la lumière frappe la surface interne du verre selon un angle plus raide que l’angle critique, elle se reflète complètement sans aucune perte. Cela permet aux jumelles de plier le chemin optique dans une forme compacte tout en conservant la luminosité et l'orientation de l'image.

Télécommunications et Fibre Optique

Le multiplexage par répartition en longueur d'onde dans les réseaux à fibre optique utilise des composants basés sur la dispersion qui fonctionnent de manière similaire aux prismes. Différents canaux de données sont transmis sur différentes longueurs d'onde de lumière, puis séparés ou combinés à l'aide de réseaux de diffraction ou d'éléments de type prisme, permettant à une seule fibre de transporter simultanément d'énormes quantités d'informations.

Systèmes de caméras et de projecteurs

Les caméras vidéo haut de gamme utilisent des prismes diviseurs de faisceau pour diviser la lumière entrante en canaux rouges, verts et bleus séparés, chacun capturé par un capteur dédié. Cela produit une reproduction des couleurs plus précise que les systèmes à capteur unique qui reposent sur des réseaux de filtres colorés.

Comment l'angle d'incidence affecte la sortie

L'angle selon lequel la lumière frappe la surface du prisme affecte considérablement le résultat. À l'angle de déviation minimum, la lumière passe symétriquement à travers le prisme et la dispersion est la plus propre. À des angles d'incidence plus prononcés, certaines longueurs d'onde peuvent subir une réflexion interne totale et ne pas sortir du tout du prisme.

Pour un prisme en verre couronne de 60 degrés, l'angle de déviation minimum est d'environ 37 à 40 degrés pour la lumière visible. Les ingénieurs optiques calculent cela avec précision lors de la conception des instruments afin de garantir le passage des longueurs d'onde souhaitées avec une distorsion minimale.

Si la lumière frappe la surface sous un angle trop faible, elle peut se refléter plutôt que de pénétrer dans le verre, un phénomène régi par les équations de Fresnel. Revêtements antireflet de haute qualité prismes optiques minimiser cette perte de surface et améliorer l’efficacité de la transmission.

La différence entre les prismes et les réseaux de diffraction

Les prismes et les réseaux de diffraction peuvent séparer la lumière en longueurs d'onde qui la composent, mais ils le font par des mécanismes physiques complètement différents. Un prisme utilise la réfraction et la dépendance en longueur d'onde de l'indice de réfraction. Un réseau de diffraction utilise l’interférence des ondes lumineuses diffusées depuis une surface recouverte de milliers de fines lignes parallèles.

Notamment, l’ordre des couleurs est inversé entre les deux. Dans un prisme, c'est le violet qui est le plus courbé. Dans un réseau de diffraction, le rouge est diffracté selon le plus grand angle. Cette différence est une conséquence directe de la physique sous-jacente à chaque cas.

Pourquoi certains matériaux dispersent la lumière plus que d'autres

La tendance d'un matériau à disperser la lumière est mesurée par son nombre d'Abbe. Un nombre d'Abbé faible signifie une dispersion élevée, ce qui signifie que le matériau sépare fortement les couleurs. Un nombre d'Abbe élevé signifie une faible dispersion. Le verre silex dense a un nombre d'Abbé autour de 36, tandis que le verre couronne borosilicaté se situe près de 64.

Dans les objectifs d'appareil photo, une dispersion élevée n'est généralement pas souhaitable car elle crée une aberration chromatique, où différentes couleurs se concentrent à des distances légèrement différentes et produisent des franges ou un flou. Les concepteurs de lentilles combinent délibérément des éléments en verre à dispersion élevée et faible pour annuler l'erreur chromatique, une technique appelée correction achromatique.

Cependant, dans un spectromètre à prisme, une dispersion élevée est exactement ce que vous recherchez. Plus la dispersion est forte, plus le spectre est étendu, ce qui facilite la distinction des longueurs d'onde rapprochées.

Points clés à retenir

Un prisme divise la lumière blanche en un spectre car le verre ralentit différentes longueurs d'onde de différentes quantités, provoquant la réfraction de chaque couleur selon un angle unique. La géométrie triangulaire du prisme garantit que les réfractions d'entrée et de sortie courbent la lumière dans la même direction, amplifiant ainsi la séparation. Le résultat est un arc-en-ciel visible qui va du rouge à l’extrémité peu profonde au violet à l’extrémité abrupte.

1. Réfraction provoque la courbure de la lumière lorsqu’elle se déplace entre des matériaux de densité optique différente.
2. Dispersion provoque une courbure différente de différentes longueurs d'onde dans le même matériau.
3. La forme du prisme aggrave la réfraction sur deux surfaces, produisant une séparation visible des couleurs.
4. Le processus est entièrement réversible, comme Newton l'a prouvé en recombinant le spectre avec un deuxième prisme.
5. Les prismes sont utilisés en spectroscopie, dans les systèmes d'imagerie, dans les jumelles et dans les télécommunications, pas seulement dans les démonstrations en classe.