Worldlex Wiki En optique , la transparence ( ou diaphanéité ) est la propriété physique qui permet à la lumière de traverser un matériau sans diffusion notable . À l' échelle macroscopique (où les dimensions sont bien supérieures à la longueur d'onde des photons ), on peut dire que les photons suivent la loi de Snell-Descartes . La translucidité ( ou translucidité ) est la propriété physique qui permet à la lumière de traverser un matériau (avec ou sans diffusion). Elle permet à la lumière de traverser le matériau , mais celle-ci ne suit pas nécessairement la loi de Snell-Descartes à l'échelle macroscopique ; les photons peuvent être diffusés aux interfaces ou à l'intérieur du matériau, là où l'indice de réfraction change . Autrement dit, un matériau translucide est composé de constituants ayant des indices de réfraction différents , tandis qu'un matériau transparent est composé de constituants ayant un indice de réfraction uniforme. Les matériaux transparents apparaissent clairs, avec une apparence générale d'une seule couleur, ou de toute combinaison aboutissant à un spectre éclatant de toutes les couleurs. La propriété opposée à la translucidité est l'opacité . D'autres catégories d'apparence visuelle, liées à la perception de la réflexion et de la transmission régulières ou diffuses de la lumière, ont été organisées sous le concept de césie dans un système d'ordre à trois variables, dont la transparence, la translucidité et l'opacité.
Lorsque la lumière rencontre un matériau, elle peut interagir avec lui de différentes manières. Ces interactions dépendent de la longueur d'onde de la lumière et de la nature du matériau. Les photons interagissent avec un objet par une combinaison de réflexion, d'absorption et de transmission. Certains matériaux, comme le verre plat et l'eau pure , transmettent une grande partie de la lumière incidente et en réfléchissent peu ; on les dit optiquement transparents. De nombreux liquides et solutions aqueuses sont très transparents. L'absence de défauts structuraux (cavités, fissures, etc.) et la structure moléculaire de la plupart des liquides sont les principaux facteurs responsables de leur excellente transmission optique.
Les matériaux qui ne transmettent pas la lumière sont dits opaques . Nombre de ces substances possèdent une composition chimique qui inclut ce que l'on appelle des centres d'absorption . Beaucoup de substances absorbent sélectivement les fréquences de la lumière blanche . Elles absorbent certaines portions du spectre visible tout en en réfléchissant d'autres. Les fréquences du spectre qui ne sont pas absorbées sont soit réfléchies, soit transmises, ce qui permet notre observation physique. C'est ce qui donne naissance à la couleur . L'atténuation de la lumière, quelle que soit sa fréquence ou sa longueur d'onde, est due à la combinaison des mécanismes d'absorption et de diffusion .
La transparence offre un camouflage quasi parfait aux animaux capables de l'acquérir. Ce camouflage est plus aisé dans les eaux sombres ou troubles que dans les eaux bien éclairées. De nombreux animaux marins , comme les méduses, sont très transparents.
diffusion de la lumière , le facteur le plus critique est l'échelle de longueur de chacune ou de toutes ces caractéristiques structurelles par rapport à la longueur d'onde de la lumière diffusée. Les principaux critères relatifs aux matériaux sont les suivants :
- Structure cristalline : présence ou non d’un « ordre à longue portée » au niveau des atomes ou des molécules, caractéristique des solides cristallins.
- Structure vitreuse : les centres de diffusion comprennent des fluctuations de densité ou de composition.
- Microstructure : Les centres de diffusion comprennent les surfaces internes telles que les joints de grains, les défauts cristallographiques et les pores microscopiques.
- Matières organiques : Les centres de diffusion comprennent les structures fibreuses et cellulaires ainsi que leurs limites.
Réflexion diffuse – Généralement, lorsqu'un rayon lumineux frappe la surface d'un matériau solide (non métallique et non vitreux), il est réfléchi dans toutes les directions en raison de multiples réflexions dues aux irrégularités microscopiques internes du matériau (par exemple, les joints de grains d'un matériau polycristallin ou les limites cellulaires ou fibreuses d'un matériau organique), et à sa surface, si celle-ci est rugueuse. La réflexion diffuse est typiquement caractérisée par des angles de réflexion omnidirectionnels. La plupart des objets visibles à l'œil nu sont identifiés grâce à la réflexion diffuse. Un autre terme couramment utilisé pour ce type de réflexion est « diffusion de la lumière ». La diffusion de la lumière par les surfaces des objets est notre principal mécanisme d'observation physique.
La diffusion de la lumière dans les liquides et les solides dépend de la longueur d'onde de la lumière diffusée. Il en résulte des limites à l'échelle spatiale de la visibilité (en lumière blanche), qui dépendent de la fréquence de l'onde lumineuse et de la dimension physique (ou échelle spatiale) du centre de diffusion. La lumière visible a une échelle de longueur d'onde de l'ordre de 0,5 μm . Des centres de diffusion (ou particules) aussi petits que 1 μm ont été observés directement au microscope optique (par exemple, le mouvement brownien ).
Céramiques transparentes
La transparence optique des matériaux polycristallins est limitée par la quantité de lumière diffusée par leurs microstructures. La diffusion de la lumière dépend de sa longueur d'onde. Il en résulte des limites à l'échelle spatiale de la visibilité (en lumière blanche), qui dépendent de la fréquence de l'onde lumineuse et de la dimension physique du centre de diffusion. Par exemple, la lumière visible ayant une longueur d'onde de l'ordre du micromètre, les centres de diffusion ont des dimensions spatiales similaires. Les principaux centres de diffusion dans les matériaux polycristallins comprennent les défauts microstructuraux tels que les pores et les joints de grains. Outre les pores, la plupart des interfaces dans un objet métallique ou céramique typique sont des joints de grains , qui séparent de minuscules régions cristallines. Lorsque la taille du centre de diffusion (ou du joint de grain) est inférieure à la longueur d'onde de la lumière diffusée, la diffusion devient négligeable.
Lors de la formation de matériaux polycristallins (métaux et céramiques), la taille des grains cristallins est largement déterminée par celle des particules cristallines présentes dans la matière première lors de la mise en forme (ou du pressage) de l'objet. De plus, la taille des joints de grains est directement proportionnelle à celle des particules. Ainsi, une réduction de la taille initiale des particules bien en deçà de la longueur d'onde de la lumière visible (environ 1/15 de la longueur d'onde, soit approximativement 600 nm / 15 = 40 nm ) élimine une grande partie de la diffusion de la lumière, ce qui permet d'obtenir un matériau translucide, voire transparent.
La modélisation informatique de la transmission de la lumière à travers l'alumine céramique translucide a montré que les pores microscopiques piégés près des joints de grains agissent comme principaux centres de diffusion. La fraction volumique de porosité a dû être réduite à moins de 1 % pour obtenir une transmission optique de haute qualité (99,99 % de la densité théorique). Cet objectif a été facilement atteint et largement démontré dans les laboratoires et les centres de recherche du monde entier grâce aux nouvelles méthodes de traitement chimique, notamment la chimie sol-gel et les nanotechnologies .
Transparent ceramics have created interest in their applications for high energy lasers, transparent armor windows, nose cones for heat seeking missiles, radiation detectors for non-destructive testing, high energy physics, space exploration, security and medical imaging applications. Large laser elements made from transparent ceramics can be produced at a relatively low cost. These components are free of internal stress or intrinsic birefringence, and allow relatively large doping levels or optimized custom-designed doping profiles. This makes ceramic laser elements particularly important for high-energy lasers.
The development of transparent panel products will have other potential advanced applications including high strength, impact-resistant materials that can be used for domestic windows and skylights. Perhaps more important is that walls and other applications will have improved overall strength, especially for high-shear conditions found in high seismic and wind exposures. If the expected improvements in mechanical properties bear out, the traditional limits seen on glazing areas in today's building codes could quickly become outdated if the window area actually contributes to the shear resistance of the wall.
Currently available infrared transparent materials typically exhibit a trade-off between optical performance, mechanical strength and price. For example, sapphire (crystalline alumina) is very strong, but it is expensive and lacks full transparency throughout the 3–5μm mid-infrared range. Yttria is fully transparent from 3–5μm, but lacks sufficient strength, hardness, and thermal shock resistance for high-performance aerospace applications. A combination of these two materials in the form of the yttrium aluminium garnet (YAG) is one of the top performers in the field.électrons de ces atomes .
Certains matériaux laissent passer une grande partie de la lumière incidente sans la réfléchir. Ces matériaux, qui permettent la transmission des ondes lumineuses, sont dits optiquement transparents. Le verre à vitre chimiquement pur (non dopé) et l'eau de source ou de rivière limpide en sont d'excellents exemples.
Les matériaux qui ne laissent passer aucune fréquence lumineuse sont dits opaques . Ces substances peuvent avoir une composition chimique incluant ce que l'on appelle des centres d'absorption. La plupart des matériaux sont composés de substances qui absorbent sélectivement les fréquences lumineuses. Ils n'absorbent donc que certaines portions du spectre visible. Les fréquences non absorbées sont soit réfléchies, soit transmises, ce qui nous permet de les observer. Dans le spectre visible, c'est ce phénomène qui donne naissance aux couleurs.
Les centres d'absorption sont en grande partie responsables de l'apparence de certaines longueurs d'onde de la lumière visible qui nous entoure. En passant des longueurs d'onde les plus longues (0,7 μm) aux plus courtes (0,4 μm), on peut identifier par nos sens les couleurs rouge, orange, jaune, vert et bleu (ROYGB) grâce à l'absorption sélective de certaines fréquences (ou longueurs d'onde) des ondes lumineuses. Les mécanismes d'absorption sélective des ondes lumineuses comprennent :
- Électroniques : Transitions des niveaux d’énergie des électrons au sein de l’atome (ex. : pigments ). Ces transitions se situent généralement dans les portions ultraviolette (UV) et/ou visible du spectre.
- Vibrationnelle : Résonance des modes de vibration atomiques/moléculaires . Ces transitions se situent généralement dans la partie infrarouge du spectre.
UV-Vis : transitions électroniques
Lors de l'absorption électronique, la fréquence de l'onde lumineuse incidente correspond ou est proche des niveaux d'énergie des électrons des atomes qui composent la substance. Dans ce cas, les électrons absorbent l'énergie de l'onde lumineuse et augmentent leur niveau d'énergie, souvent en passant du noyau de l'atome à une couche électronique externe .
Les atomes qui s'assemblent pour former les molécules d'une substance donnée contiennent un certain nombre d'électrons (indiqué par le numéro atomique Z dans le tableau périodique ). Rappelons que toutes les ondes lumineuses sont d'origine électromagnétique. Elles sont donc fortement affectées lorsqu'elles entrent en contact avec les électrons chargés négativement de la matière. Lorsque des photons (particules individuelles d'énergie lumineuse) entrent en contact avec les électrons de valence d'un atome, plusieurs phénomènes peuvent se produire :
- Une molécule absorbe le photon ; une partie de l'énergie peut être perdue par luminescence , fluorescence et phosphorescence .
- Une molécule absorbe le photon, ce qui entraîne une réflexion ou une diffusion.
- Une molécule ne peut absorber l'énergie du photon, qui poursuit donc son chemin. Il en résulte une transmission (à condition qu'aucun autre mécanisme d'absorption ne soit actif).
Le plus souvent, c'est une combinaison des phénomènes décrits ci-dessus qui se produit lorsque la lumière frappe un objet. L'état des matériaux varie quant à la gamme d'énergie qu'ils peuvent absorber. La plupart des verres, par exemple, bloquent les rayons ultraviolets (UV). Concrètement, les électrons du verre absorbent l'énergie des photons UV tout en ignorant l'énergie plus faible des photons du spectre visible. Il existe cependant des verres spéciaux , comme certains types de verre borosilicaté ou de quartz, qui sont perméables aux UV et laissent donc passer une grande quantité de lumière ultraviolette.
Ainsi, lorsqu'un matériau est éclairé, chaque photon peut provoquer la transition des électrons de valence d'un atome vers un niveau d'énergie électronique supérieur . Le photon est alors détruit et l'énergie rayonnante absorbée est transformée en énergie potentielle électrique. Plusieurs phénomènes peuvent ensuite se produire avec cette énergie absorbée : elle peut être réémise par l'électron sous forme de rayonnement (dans ce cas, l'effet global est en réalité une diffusion de la lumière), dissipée dans le reste du matériau (c'est-à-dire transformée en chaleur ), ou l'électron peut être libéré de l'atome (comme dans les effets photoélectriques et Compton ).
Infrarouge : étirement des liaisons
Le principal mécanisme physique de stockage de l'énergie mécanique du mouvement dans la matière condensée est la chaleur , ou énergie thermique . L'énergie thermique se manifeste sous forme d'énergie de mouvement. Ainsi, la chaleur est un mouvement à l'échelle atomique et moléculaire. Le mode de mouvement principal dans les substances cristallines est la vibration . Chaque atome vibre autour d'une position moyenne au sein de la structure cristalline, entouré de ses plus proches voisins. Cette vibration bidimensionnelle est équivalente à l' oscillation du pendule d'une horloge. Elle oscille symétriquement d'avant en arrière autour d'une position moyenne (verticale). Les fréquences de vibration atomiques et moléculaires peuvent atteindre en moyenne 10¹² cycles par seconde ( rayonnement térahertz ).
Lorsqu'une onde lumineuse d'une fréquence donnée frappe un matériau dont les particules ont des fréquences de vibration identiques (ou de résonance), ces particules absorbent l'énergie de l'onde et la transforment en énergie thermique due à leur mouvement vibratoire. Comme les atomes et les molécules ont des fréquences de vibration naturelles différentes, ils absorbent sélectivement différentes fréquences (ou portions du spectre) de la lumière infrarouge. La réflexion et la transmission des ondes lumineuses se produisent car leurs fréquences ne correspondent pas aux fréquences de résonance naturelles des objets. Lorsqu'un rayonnement infrarouge de ces fréquences frappe un objet, son énergie est réfléchie ou transmise.
Si l'objet est transparent, les ondes lumineuses sont transmises aux atomes voisins à travers le matériau et réémises de l'autre côté de l'objet. On dit alors que ces fréquences d'ondes lumineuses sont transmises.
Transparence des isolateurs
Un objet peut être opaque soit parce qu'il réfléchit la lumière incidente, soit parce qu'il l'absorbe. Presque tous les solides réfléchissent une partie et absorbent une partie de la lumière incidente.
Lorsque la lumière frappe un bloc de métal , elle rencontre des atomes étroitement liés selon un réseau cristallin régulier et un « nuage d'électrons » se déplaçant aléatoirement entre ces atomes. Dans les métaux, la plupart de ces électrons sont des électrons non liants (ou électrons libres), contrairement aux électrons liants que l'on trouve généralement dans les solides non métalliques (isolants) à liaisons covalentes ou ioniques. Dans une liaison métallique, les atomes d'une structure cristalline peuvent facilement perdre des électrons de liaison potentiels. Cette délocalisation amplifie l'effet du « nuage d'électrons ». De ce fait, la majeure partie de la lumière incidente dans les métaux est réfléchie, ce qui explique l'aspect brillant de leur surface.
La plupart des isolants (ou matériaux diélectriques ) sont maintenus ensemble par des liaisons ioniques . Par conséquent, ces matériaux ne possèdent pas d'électrons de conduction libres , et les électrons de liaison ne réfléchissent qu'une faible fraction de l'onde incidente. Les fréquences (ou longueurs d'onde) restantes peuvent se propager librement (ou être transmises). Cette classe de matériaux comprend toutes les céramiques et tous les verres .
Si un matériau diélectrique ne contient pas de molécules additives absorbant la lumière (pigments, colorants), il est généralement transparent au spectre de la lumière visible. Les centres colorés (ou molécules de colorant, ou « dopants ») d'un diélectrique absorbent une partie de la lumière incidente. Les fréquences (ou longueurs d'onde) restantes peuvent être réfléchies ou transmises. C'est ainsi que sont produits les verres colorés.
La plupart des liquides et solutions aqueuses sont très transparents. Par exemple, l'eau, l'huile de cuisson, l'alcool à friction, l'air et le gaz naturel sont tous limpides. L'absence de défauts structurels (vides, fissures, etc.) et la structure moléculaire de la plupart des liquides sont les principales causes de leur excellente transmission optique. La capacité des liquides à « réparer » leurs défauts internes par écoulement visqueux explique en partie pourquoi certains matériaux fibreux (comme le papier ou le tissu) voient leur transparence apparente augmenter lorsqu'ils sont mouillés. Le liquide remplit de nombreux vides, ce qui rend le matériau plus homogène structurellement.crystalline (non-metallic) solid that provides no scattering centers for incoming light will be due primarily to any effects of anharmonicity within the ordered lattice. Light transmission will be highly directional due to the typical anisotropy of crystalline substances, which includes their symmetry group and Bravais lattice. For example, the seven different crystalline forms of quartz silica (silicon dioxide, SiO2) are all clear, transparent materials.
Optical waveguides
Optically transparent materials focus on the response of a material to incoming light waves of a range of wavelengths. Guided light wave transmission via frequency selective waveguides involves the emerging field of fiber optics and the ability of certain glassy compositions to act as a transmission medium for a range of frequencies simultaneously (multi-mode optical fiber) with little or no interference between competing wavelengths or frequencies. This resonant mode of energy and data transmission via electromagnetic (light) wave propagation is relatively lossless.cylindrical dielectric waveguide that transmits light along its axis by the process of total internal reflection. The fiber consists of a core surrounded by a cladding layer. To confine the optical signal in the core, the refractive index of the core must be greater than that of the cladding. The refractive index is the parameter reflecting the speed of light in a material. (Refractive index is the ratio of the speed of light in vacuum to the speed of light in a given medium. The refractive index of vacuum is therefore 1.) The larger the refractive index, the more slowly light travels in that medium. Typical values for core and cladding of an optical fiber are 1.48 and 1.46, respectively.réflexion totale interne , est utilisé dans les fibres optiques pour confiner la lumière au cœur du milieu. La lumière se propage dans la fibre en rebondissant à plusieurs reprises sur la paroi. Comme l'angle d'incidence doit être supérieur à l' angle critique , seule la lumière pénétrant dans la fibre sous un certain angle peut s'y propager. Cet angle d'incidence est appelé cône d'acceptance de la fibre. La taille de ce cône dépend de la différence d'indice de réfraction entre le cœur et la gaine de la fibre. Les guides d'ondes optiques sont utilisés comme composants dans les circuits optiques intégrés (par exemple, associés à des lasers ou des diodes électroluminescentes , LED) ou comme support de transmission dans les systèmes de communication optique locaux et longue distance .
L'atténuation dans les fibres optiques , également appelée perte de transmission , correspond à la réduction de l'intensité du faisceau lumineux (ou du signal) en fonction de la distance parcourue dans le milieu de transmission. C'est un facteur important qui limite la transmission d'un signal sur de longues distances. Les coefficients d'atténuation dans les fibres optiques sont généralement exprimés en dB/km, compte tenu de la très haute transparence des milieux de transmission optiques modernes. Ce milieu est généralement une fibre de verre de silice qui confine le faisceau lumineux incident à l'intérieur.
Dans les fibres optiques, la principale source d'atténuation est la diffusion due aux irrégularités à l'échelle moléculaire, appelée diffusion Rayleigh [ causée par le désordre structural et les fluctuations de composition du verre . Ce même phénomène est considéré comme l'un des facteurs limitant la transparence des dômes de missiles infrarouges . Une atténuation supplémentaire est provoquée par l'absorption de la lumière par les matériaux résiduels, tels que les métaux ou les ions d'eau, présents dans le cœur et la gaine interne de la fibre. Les fuites de lumière dues à la courbure, aux épissures, aux connecteurs ou à d'autres forces extérieures constituent d'autres facteurs d'atténuation. À haute puissance optique, la diffusion peut également être causée par des processus optiques non linéaires dans la fibre
Comme camouflage
