Propriétés optiques
Ce sont surtout les propriétés optiques qui font que le Diamant est très recherché comme bijou. Les propriétés optiques déterminent le comportement de la lumière à l’intérieur de la pierre et provoquent la brillance et le jeu de lumière exceptionnel du Diamant. Ces propriétés sont également très importantes pour la classification d’un Diamant. Les réflexions à l’intérieur d’un Diamant, qui sont une conséquence des effets optiques, peuvent fortement compliquer l’évaluation correcte des inclusions.
La lumière
La lumière fait partie du spectre électromagnétique, ainsi que les ondes de radio et de télé, les rayons infrarouge et radar, les rayons X, les rayons gamma et les rayons cosmiques. La lumière est la partie visible du spectre électromagnétique et se reproduit dans un mouvement d’onde à une très grande vitesse. La lumière est caractérisée par sa longueur d’onde (λ) et sa vitesse.
La lumière du jour est composée de toutes les longueurs d’onde différentes du spectre visible. Comme illustré ci-dessous le spectre visible se présente comme un arc en ciel, lorsque la lumière blanche passe par un prisme, elle est séparée en ces différentes couleurs (rouge, orange, jaune, vert, bleu et violet).
Comportement de la lumière dans un Diamant
Pour comprendre la brillance et le jeu de couleur d’un Diamant, on est obligé de se référer à quelques lois de base d’optique. Le rayon de lumière, qui tombe sur la surface (par exemple un miroir), sera réfléchi, on nommera cet effet la « réflexion ». Du rayon de lumière qui tombe sur une surface d’un matériau transparent, une partie sera donc réfléchie et une autre pénètre les matériaux en étant dévié, on dit que le rayon sera "réfracté". On appelle ce phénomène "la réfraction de la lumière". Il ne se produit pas de réfraction si un rayon lumineux fait incidence perpendiculaire à la surface : le rayon continue alors de manière rectiligne.
La réflexion
Lorsqu’un rayon lumineux rencontre une surface lisse comme celle d’un Diamant, le rayon est réfléchi. Le même effet est par exemple crée à la surface d’un miroir.
En optique on mesure toujours l’angle du rayon de lumière, qu’il soit incident ou réfléchi, par rapport à la normale et non pas par rapport à la surface entre les milieux. Cette normale (N) est un plan imaginaire, perpendiculaire à la surface de réflexion, et coupant cette surface au point où le rayon de lumière touche la surface.
En cas de réflexion totale, l’angle de réflexion (r) est identique à l’angle d’incidence (i).
Réflexion sur la surface d’un Diamant
Réfraction et indice de réfraction
Lorsqu’un rayon de lumière rencontre la surface d’un corps transparent (transparent optique), une partie de la lumière est réfléchie et une autre partie est réfractée. Le schéma ci-dessous montre la réfraction d’un rayon de lumière d’un milieu moins dense (Air) vers un milieu plus dense (Diamant).
Lorsqu’un rayon de lumière passe d’un milieu optique moins dense (air) vers un milieu optique plus dense (diamant), le rayon de lumière est réfracté vers la normale (N).
Lorsqu’un rayon de lumière passe d’un milieu optique dense (diamant) vers un milieu optique moins dense (air), le contraire se produit : le rayon de lumière est réfracté en s’écartant de la normale.
L’indice de réfraction (n) d’un matériau peut être déterminé en utilisant l’angle d’incidence et l’angle de réfraction selon la formule suivante :
Tout matériau possède un indice de réfraction (n) qui est une mesure indiquant la densité optique. Un indice de réfraction élevé représente une grande réfraction de la lumière en rentrant dans le matériau. L’indice de réfraction (n) est aussi le degré de ralentissement de la lumière dans un milieu donné.
- l’air possède un indice de réfraction qui est presque égal à 1, ce qui signifie que la vélocité de la lumière dans l’air est approximativement égale à la vitesse sous vide, soit 300.000 Km par seconde.
- L’eau a un indice réfraction de 1.33, ce qui signifie que la vélocité de la lumière dans l’eau est 1.33 fois plus lente que sous vide (ou dans l’air), ce qui correspond à une vitesse approximative de 226.000 par seconde.
- Le Diamant a un indice de réfraction de 2.42, ce qui signifie que la vélocité de la lumière dans le Diamant est 2.42 fois plus lente que sous vide, donc approximativement 124.000 Km par seconde.
Angle critique (angle de réflexion totale)
La brillance d’un Diamant nous apprend que la lumière qui rentre dans une pierre en ressort également. Quand un rayon de lumière passe d’un Diamant (milieu optique dense) vers l’air (milieu optique moins dense), le rayon de lumière s’écarte de la normale en se réfractant. Ceci est le cas contraire d’un rayon de lumière qui rentre dans la pierre.
Lorsque le rayon se déplace du Diamant vers l’air à un certain angle d’incidence (i) et donc un angle de réfraction (r) le rayon lumineux ne passe plus à travers la surface et se réfléchit totalement dans le diamant ; cet angle d’incidence particulier est appelé angle critique ou angle de réflexion totale.
Pour la transition du rayon de lumière du Diamant vers l’air, l’angle critique est de 24.4°. Cela signifie qu’un rayon de lumière qui se déplace dans le Diamant, incident sur une facette, sera réfléchi dans la pierre lorsque l’angle d’incidence (i) sera plus grand que 24.4°.
Comportement d’un rayon de lumière sortant d’un Diamant avec un angle d’incidence inférieur à 24.4°
Comportement d’un rayon de lumière sortant d’un Diamant avec un angle d’incidence critique de 24.4° ; le rayon est réfracté parallèlement à la surface de la facette.
Comportement d’un rayon de lumière avec un angle d’incidence supérieur à 24.4° ; le rayon est réfléchi à l’intérieur de la pierre obéissant aux lois de la réflexion
Le coefficient de réflexion
Le coefficient de réflexion est le rapport entre la quantité de lumière réflechie sur une surface et la quantité de lumière incidente.
Le coefficient de réflexion d’un matière est influencé par l’angle d’incidence, l’indice de réfraction de cette matière ainsi que la longueur d’onde (L) de la lumière incidente, les réflectomètres, employés pour l’identification du diamant sont basés sur ce principe.
Effets causés par les propriétés optiques
La brillance
La brillance, ou le retour de la lumière du Diamant, est causée par son indice de réfraction élevé. La taille rond/brillant ainsi que toutes les autres tailles essaient d’utiliser ce principe le mieux possible. Le schéma ci-dessous montre le chemin parcouru par un rayon de lumière dans un Diamant.
La taille brillant est conçue pour que la lumière entrant par la couronne ressorte par la table et que la lumière entrant par la table sorte par la couronne. Ceci est un processus tridimensionnel.
La Dispersion
La dispersion ou le "feu" d’une pierre est causée par la différence de l’indice de réfraction pour les différentes longueurs d’onde. La lumière est réfracté en quittant la pierre. Cette réfraction est différente pour chaque longueur d’onde, donc pour chaque couleur composant la lumière blanche.
La dispersion est donc la dissolution de la lumière blanche en ses différentes couleurs la composant.
Le tableau ci-dessous indique les indices de réfraction du Diamant pour différentes longueurs d’onde. Le rayon de lumière avec la longueur d’onde la plus petite (violet) a l’indice de réfraction le plus élevé. A l’inverse la lumière rouge a la longueur d’onde la plus longue du spectre visible et se réfracte le moins. La dispersion est par définition la différence entre les indices de réfraction du rouge et celui du violet.
|
Wavelength (nanometers) |
Color |
Diamond refractive index |
|
687.6 |
red |
2.4077 |
|
589.2 |
yellow |
2.4176 |
|
527.0 |
green |
2.4269 |
|
486.1 |
blue |
2.4354 |
|
430.8 |
purple |
2.4512 |
Le coefficient de dispersion du Diamant est de 0.0044. La dispersion se produit seulement lorsqu’un rayon de lumière se déplace d’un corps à l’autre, ayant différents indice de réfraction, comme par exemple le Diamant et l’air, ou inversement.
La dispersion est néanmoins la plus nette lors de la transition d’un milieu optique dense (Diamant) vers un milieu optique moins dense (air) ; elle sera la plus grande lorsque le rayon incident (i) sera à peine plus petit que l’angle critique (24.4°).
L’effet de rapprochement
En observant les caractéristiques présentes à l’intérieur d’un Diamant, celles-ci semblent toujours plus proches de la surface qu’elles ne le sont en réalité. Ce phénomène, appelé "effet de rapprochement" est une conséquence de la réfraction de la lumière dans le Diamant ; comme lors d’un mirage, l’œil est trompé.
Ci-dessous, nous pouvons voir la manière dont la lumière se propage à partir de l’inclusion.
En examinant un Diamant il faut savoir que les inclusions sont 2.42 fois plus profonde qu’elles ne le paraissent. Cette information est extrêmement importante notamment lors de la retaille d’un Diamant. Une fausse interprétation peut conduire à une importante perte de poids.
- Profondeur réelle = 2,42(i.r) x profondeur apparente