Fibres optiques et endoscopie

Le principe de la réflexion interne totale

La réflexion interne totale est l'événement optique au cours duquel des ondes lumineuses atteignent la frontière entre deux milieux. La lumière n'est pas réfractée vers le milieu opposé, mais est au contraire complètement réfléchie vers le milieu initial. Ce phénomène se produit lorsque le milieu opposé a un indice de réfraction plus élevé que le milieu initial.

Nous pouvons calculer l'indice de réfraction d'un milieu à l'aide de cette équation :

\[n = \frac{c}{v}\]

Ici, c est la vitesse de la lumière dans le vide (3,00 ⋅^108m/s), et v est la vitesse de phase de la lumière dans le milieu.

Pour que ce phénomène se produise, l'angle d'incidence à la frontière entre deux milieux doit être supérieur à l'angle critique. Supposons qu'un faisceau lumineux passe d'un milieu ayant un indice de réfraction n1 à un second milieu ayant un indice de réfraction n2. d'un milieu qui a un indice de réfraction de _n1 vers un second milieu qui a un indice de réfraction de _n2, et que _n2 ≤ _n1. On peut alors trouver l'angle critique (_θc) avec cette équation :

\[\theta_c = \arcsin \Big(\frac{n_2}{n_1} \Big)\].

Lorsque l'angle d'incidence est inférieur à l'angle critique

Si l'angle d'incidence (_θ1) est inférieur à l'angle critique, alors l'onde se réfracte vers le milieu opposé avec un angle de _θ2 (flèches jaunes dans l'illustration ci-dessous). Nous pouvons maintenant trouver la relation entre ces angles grâce à cette équation :

\n_1 \cdot \sin \theta_1 = n_2 \sin \theta_2\]

Lorsque l'angle d'incidence est égal à l'angle critique.

Si l'angle d'incidence (_θ1) est égal à l'angle critique (_θc), alors l'onde poursuivra son chemin dans l'alignement de la frontière (flèches violettes sur l'illustration).

Lorsque l'angle d'incidence est supérieur à l'angle critique.

Si l'angle d'incidence est supérieur à l'angle critique, il y a réflexion interne totale et l'onde se réfléchit vers le milieu initial avec le même angle qu'au départ (flèches rouges dans l'illustration).

Procédure d'endoscopie par fibre optique

Lors de l'utilisation d'endoscopes à fibres optiques, une source lumineuse située dans la pointe de l'endoscope éclaire les voies de passage. La lumière est réfléchie par les voies de passage vers cette pointe. La lumière est guidée par une structure à indice progressif à l'intérieur de la fibre optique qui induit une réflexion interne totale et dirige la lumière couplée d'une extrémité à l'autre sans perte. Pour cela, l'indice de réfraction dumatériau du cœur de la fibre(_n1) doit être supérieur à celui du matériau dela gaine de la fibre (_n2).

La lumière dont l'angle d'incidence est supérieur à l'angle d'acceptation maximal _θa sera partiellement réfractée à l'extérieur de la fibre. La lumière dont l'angle d'incidence est inférieur à l'angle d'acceptation maximal _θa sera partiellement réfractée à l'intérieur de la fibre. Après plusieurs rencontres avec l'interface cœur-gaine de la fibre, la lumière résiduelle partiellement réfléchie est finalement perdue.

L'exigence d'une réflexion interne de 100 % au contact entre le noyau et la gaine détermine l'angle d'acceptation maximal _θa. Pour déterminer l'angle d' acceptation _θa, rappelle-toi que pour trouver l'angle critique _θc, on utilise l'équation :

\[\sin(\theta_c) = \frac{n_2}{n_1}\]

Ainsi, en supposant que la fibre se trouve dans l'air avec un indice de réfraction de 1, l'équation suivante nous aide à trouver l'angle d'acceptation _θa. Note que _θc' = 90° - _θc.

\[\sin (\theta_a) = \frac{n_1}{1} \cdot \sin(\theta'_c)\]

En conclusion, l'onde lumineuse, qui se réfléchit dans les voies de passage du corps humain et pénètre dans les fibres optiques de l'endoscope, traverse les fibres optiques avec une réflexion interne totale. Par conséquent, la lumière sort des fibres optiques de la même façon qu'elle y est entrée (avec le même angle). L'image est ensuite transférée pour être examinée par un spectateur.

Quelles sont les applications de l'endoscopie ?

L'endoscopie est actuellement utilisée pour diverses applications en physique médicale. Si l'endoscopie est principalement utilisée en chirurgie pour permettre aux chirurgiens de visualiser l'intérieur du corps humain pendant qu'ils opèrent, d'autres utilisations consistent à regarder dans les voies de passage du corps humain pour déterminer d'éventuelles anomalies. Voici quelques autres utilisations de l'endoscopie :

• Panendoscopie pour la chirurgie plastique (triple endoscopie).
• Chirurgies orthopédiques, telles que les chirurgies du genou et de la main.
• Examen du fœtus et de l'amnios pendant la grossesse.
• Examen de l'appareil reproducteur féminin.
• Examiner l'intérieur de l'oreille.