la réflexion de la lumière est soit spéculaire (comme un miroir) ou diffuse (en conservant l’énergie, mais en perdant l’image) selon la nature de l’interface. En réflexion spéculaire, la phase des ondes réfléchies dépend du choix de l’origine des coordonnées, mais la phase relative entre les polarisations s et p (TE et TM) est fixée par les propriétés des milieux et de l’interface entre eux.,
un miroir fournit le modèle le plus commun pour la réflexion de la lumière spéculaire, et se compose généralement d’une feuille de verre avec un revêtement métallique où la réflexion significative se produit. La réflexion est renforcée dans les métaux par la suppression de la propagation des ondes au-delà de leurs profondeurs cutanées. La réflexion se produit également à la surface des milieux transparents, tels que l’eau ou le verre.
Dans le diagramme, un rayon de lumière PO frappe un miroir vertical au point O, et le rayon réfléchi est OQ., En projetant une ligne imaginaire à travers le point O perpendiculaire au miroir, connu sous le nom de normal, nous pouvons mesurer l’angle d’incidence, θi et l’angle de réflexion, θr. La loi de réflexion stipule que θi = θr, ou en d’autres termes, l’angle d’incidence est égal à l’angle de réflexion.
en fait, la réflexion de la lumière peut se produire chaque fois que la lumière se déplace d’un milieu d’un indice de réfraction donné dans un milieu avec un indice de réfraction différent. Dans le cas le plus général, une certaine fraction de la lumière est réfléchie par l’interface et le reste est réfracté., La résolution des équations de Maxwell pour un rayon lumineux frappant une frontière permet la dérivation des équations de Fresnel, qui peuvent être utilisées pour prédire la quantité de lumière réfléchie et la quantité de réfraction dans une situation donnée. Ceci est analogue à la façon d’adaptation d’impédance dans un circuit électrique provoque la réflexion des signaux. La réflexion interne totale de la lumière provenant d’un milieu plus dense se produit si l’angle d’incidence est supérieur à l’angle critique.
la réflexion interne totale est utilisée comme moyen de focaliser les ondes qui ne peuvent pas être réfléchies efficacement par des moyens communs., Les télescopes à rayons X sont construits en créant un « tunnel » convergent pour les ondes. Lorsque les ondes interagissent à faible angle avec la surface de ce tunnel, elles sont réfléchies vers le point de mise au point (ou vers une autre interaction avec la surface du tunnel, finalement dirigées vers le détecteur au point de mise au point). Un réflecteur conventionnel serait inutile car les rayons X passeraient simplement à travers le réflecteur prévu.
lorsque la lumière se réfléchit sur un matériau ayant un indice de réfraction plus élevé que le milieu dans lequel se déplace, elle subit un déphasage de 180°., En revanche, lorsque la lumière se réfléchit d’un matériau avec un indice de réfraction inférieur, la lumière réfléchie est en phase avec la lumière incidente. C’est un principe important dans le domaine de l’optique à couche mince.
la réflexion spéculaire forme des images. La réflexion d’une surface plane forme une image miroir, qui semble être inversée de gauche à droite parce que nous comparons l’image que nous voyons à ce que nous verrions si nous étions tournés dans la position de l’image. La réflexion spéculaire sur une surface incurvée forme une image qui peut être agrandie ou démagnifiée; les miroirs incurvés ont une puissance optique., De tels miroirs peuvent avoir des surfaces sphériques ou paraboliques.
Réfraction de la lumière à l’interface entre deux milieux.
les Lois de la réflexion
Un exemple de la loi de la réflexion
Si la surface réfléchissante est très lisse, la réflexion de la lumière qui se produit est appelé spéculaire ou de réflexion régulière., Les lois de réflexion sont les suivantes:
- Le rayon incident, le rayon réfléchi et la normale à la surface de réflexion au point d’incidence se trouvent dans le même plan.
- L’angle que fait le rayon incident avec la normale est égal à l’angle que fait le rayon réfléchi à la normale.
- Le rayon réfléchi et le rayon incident sont sur les côtés opposés de la normale.
ces trois lois peuvent toutes être dérivées des équations de Fresnel.,
Mécanisme
simulation 2D: reflet d’une particule quantique. Le flou blanc représente la distribution de probabilité de trouver une particule à un endroit donné si elle est mesurée.
en électrodynamique classique, la lumière est considérée comme une onde électromagnétique, décrite par les équations de Maxwell., Les ondes lumineuses incidentes sur un matériau induisent de petites oscillations de polarisation dans les atomes individuels (ou oscillation des électrons, dans les métaux), ce qui fait que chaque particule émet une petite onde secondaire dans toutes les directions, comme une antenne dipolaire. Toutes ces ondes s’additionnent pour donner une réflexion spéculaire et une réfraction, selon le principe de Huygens–Fresnel.
dans le cas des diélectriques tels que le verre, le champ électrique de la lumière agit sur les électrons dans le matériau, et les électrons en mouvement génèrent des champs et deviennent de nouveaux radiateurs., La lumière réfractée dans le verre est la combinaison du rayonnement direct des électrons et de la lumière incidente. La lumière réfléchie est la combinaison du rayonnement arrière de tous les électrons.
dans les métaux, les électrons sans énergie de liaison sont appelés électrons libres. Lorsque ces électrons oscillent avec la lumière incidente, la différence de phase entre leur champ de rayonnement et le champ incident est π (180°), de sorte que le rayonnement vers l’avant annule la lumière incidente et que le rayonnement vers l’arrière n’est que la lumière réfléchie.,
l’interaction lumière–matière en termes de photons est un sujet de l’électrodynamique quantique, et est décrite en détail par Richard Feynman dans son livre populaire QED: The Strange Theory of Light and Matter.,
réflexion Diffuse
mécanisme général de diffusion qui donne une réflexion diffuse par une surface solide
lorsque la lumière frappe la surface d’un matériau (non métallique), elle rebondit dans toutes les directions en raison de multiples réflexions à l’intérieur du matériau (par exemple, les limites de grain d’un matériau polycristallin, ou les limites de cellules ou de fibres d’un matériau organique) et par sa surface, si elle est rugueuse. Ainsi, une « image » n’est pas formé., C’est ce qu’on appelle la réflexion diffuse. La forme exacte de la réflexion dépend de la structure du matériau. Un modèle commun pour la réflexion diffuse est la réflectance lambertienne, dans laquelle la lumière est réfléchie avec une luminance égale (en photométrie) ou un rayonnement (en radiométrie) dans toutes les directions, tel que défini par la loi du cosinus de Lambert.
la lumière envoyée à nos yeux par la plupart des objets que nous voyons est due à la réflexion diffuse de leur surface, de sorte que c’est notre principal mécanisme d’observation physique.,
la Rétroréflexion
principe de fonctionnement d’un coin réflecteur
Certaines surfaces présentent la rétroréflexion. La structure de ces surfaces est telle que la lumière est renvoyée dans la direction d’où elle venait.
lorsque vous survolez des nuages éclairés par la lumière du soleil, la région visible autour de l’ombre de l’avion apparaît plus lumineuse, et un effet similaire peut être vu de la rosée sur l’herbe., Cette rétroréflexion partielle est créée par les propriétés de réfraction de la surface de la gouttelette incurvée et les propriétés réfléchissantes à l’arrière de la gouttelette.
les rétines de certains animaux agissent comme des rétroréflecteurs (voir tapetum lucidum pour plus de détails), car cela améliore efficacement la vision nocturne des animaux. Puisque les lentilles de leurs yeux modifient réciproquement les chemins de la lumière entrante et sortante, l’effet est que les yeux agissent comme un puissant rétroréflecteur, parfois vu la nuit en marchant dans les terres sauvages avec une lampe de poche.,
un rétroréflecteur simple peut être réalisé en plaçant trois miroirs ordinaires mutuellement perpendiculaires l’un à l’autre (un réflecteur d’angle). L’image produite est l’inverse de celle produite par un seul miroir. Une surface peut être partiellement rétroréfléchissante en y déposant une couche de minuscules sphères de réfraction ou en créant de petites structures pyramidales. Dans les deux cas, la réflexion interne provoque la réflexion de la lumière vers son origine. Ceci est utilisé pour faire en sorte que les panneaux de signalisation et les plaques d’immatriculation des automobiles réfléchissent la lumière principalement dans la direction d’où elle vient., Dans cette application, une rétroréflexion parfaite n’est pas souhaitée, car la lumière serait alors dirigée vers les phares d’une voiture venant en sens inverse plutôt que vers les yeux du conducteur.
Multiples reflets
réflexions Multiples dans deux plan de miroirs sur un angle de 60°.
Lorsque la lumière se reflète sur un miroir, une image apparaît. Deux miroirs placés exactement face à face donnent l’apparence d’un nombre infini d’images le long d’une ligne droite., Les multiples images vues entre les deux miroirs de s’asseoir à un angle de mensonge sur un cercle. Le centre de ce cercle est situé à l’intersection imaginaire des miroirs. Un carré de quatre miroirs placés face à face, donner l’apparence d’un nombre infini d’images disposées dans un plan. Les multiples images vues entre quatre miroirs assemblant une pyramide, dans laquelle chaque paire de miroirs est inclinée l’une par rapport à l’autre, reposent sur une sphère. Si la base de la pyramide est en forme de rectangle, les images s’étendent sur une section d’un tore.,
notez que ce sont des idéaux théoriques, nécessitant un alignement parfait de réflecteurs parfaitement lisses, parfaitement plats et parfaits qui n’absorbent aucune lumière. En pratique, ces situations ne peuvent être abordées mais pas réalisées car les effets des imperfections de surface dans les réflecteurs se propagent et s’agrandissent, l’absorption éteint progressivement l’image et tout équipement d’observation (biologique ou technologique) interfère.,
réflexion conjuguée complexe
dans ce processus (qui est également connu sous le nom de conjugaison de phase), la lumière rebondit exactement dans la direction d’où elle vient en raison d’un processus optique non linéaire. Non seulement la direction de la lumière est inversée, mais les fronts d’onde sont inversés ainsi. Un réflecteur conjugué peut être utilisé pour éliminer les aberrations d’un faisceau en le réfléchissant puis en faisant passer la réflexion à travers l’optique aberrante une seconde fois., Si l’on devait regarder dans un miroir conjugué complexe, il serait noir car seuls les photons qui ont quitté la pupille atteindraient la pupille.