Rapport sans dimension n décrivant la vitesse de phase de la lumière dans un milieu par rapport au vide (n = c/v), qui détermine l'angle de réfraction aux interfaces via la loi de Snell et influence la propagation optique.

Principe

L'indice de réfraction découle de la réponse électromagnétique d'un milieu (perméabilité et permittivité) et, pour les milieux dispersifs, dépend de la longueur d'onde ; il fixe les conditions aux limites pour les vecteurs d'onde aux interfaces et affecte réflexion, réfraction et vitesse de groupe.

Démonstration

À 589 nm (raie D du sodium) le verre couronne a n ≈ 1,517 ; un rayon lumineux incident depuis l'air à 30° se réfracte vers la normale selon n1 sinθ1 = n2 sinθ2, produisant des trajectoires de faisceau prévisibles dans lentilles et prismes.

Mauvaise application

Citer un seul indice de réfraction sans préciser la longueur d'onde et la polarisation pour des milieux dispersifs ou biréfringents, ou supposer que n détermine entièrement les pertes optiques alors que l'absorption (partie imaginaire de n) est significative.

Conséquence

Des données précises sur l'indice de réfraction (avec longueur d'onde et température) permettent de concevoir des composants optiques, calculer des focales, l'accord de phase et prédire les conditions de réflexion totale interne et de dispersion chromatique.

Inversion

Dans le vide l'indice de réfraction vaut un et il n'y a pas de ralentissement de phase optique ; les métamatériaux peuvent produire des indices effectifs inférieurs à un ou des parties réelles négatives, inversant le comportement de réfraction habituel et permettant des phénomènes exotiques.

Limite

S'applique à des régions linéaires, homogènes où un indice effectif global a du sens ; exclut les milieux fortement diffusants, spatialement inhomogènes, non locaux ou variant dans le temps où n local est mal défini, et requiert la spécification de longueur d'onde, polarisation et température pour être complet.

Tension sémantique

Tension entre l'indice scalaire simple utilisé en optique géométrique et la réponse électromagnétique complexe, tensorielle et dispersive utilisée en optique à ondes complètes et pour les matériaux anisotropes ou absorbants.

Synthèse

L'indice de réfraction est le rapport (généralement dépendant de la longueur d'onde) de la vitesse de la lumière dans le vide à celle dans un milieu, déterminant la réfraction et de nombreux comportements optiques ; son usage correct exige la spécification de longueur d'onde, polarisation et la prise en compte de la dispersion et l'absorption.