Polarisation
1- Polarisation
La lumière est une onde, c'est-à-dire qu'elle est décrite par des signaux qui oscillent dans l'espace et le temps. Ces signaux sont les champs électrique et magnétique, d'où le nom d'onde électromagnétique.
La polarisation de la lumière résulte de cette théorie. Il en découle de nombreuses applications comme les verres polarisés qui servent à filtrer la lumière, et visualiser certains films en 3D, etc. Certains insectes et animaux utilisent la polarisation lumineuse pour s’orienter. La lumière polarisée semble également participer à la genèse d’un phénomène visuel entoptique appelé
« Brosse de Haidinger ». Un phénomène entoptique est induit par l’œil lui-même (comme les mouches volantes, qui sont liées à des corps flottants du vitré). Il nous apprend que l’œil humain est également sensible à la polarisation de la lumière, même si cette capacité ne fait pas l’objet d’une utilisation quelconque…
Cette fiche présente les principales caractéristiques qui permettent d’appréhender le phénomène de polarisation de la lumière ; le formalisme mathématique est réduit au maximum, au profit d’une représentation schématique permettant une compréhension intuitive et graphique
2- La découverte et l'étude de la polarisation
Bartholin publie en 1669 ses observations des propriétés optiques du Spath d'Islande. Il avait remarqué qu'un rayon réfracté par un tel cristal produisait deux rayons, un rayon « ordinaire » et un rayon « extraordinaire ». Les deux rayons ayant des propriétés différentes : c'est la découverte de la biréfringence. Huygens étudiera aussi la double réfringence des cristaux de spath, et observera que l'intensité de la lumière transmise par deux cristaux dépend de l'orientation de ces derniers. Il y a donc une asymétrie autour de la direction de propagation : ce sont les bases de la polarisation.
Rasmus Bartholin
Bartholin publie en 1669 ses observations des propriétés optiques du Spath d'Islande. Il avait remarqué qu'un rayon réfracté par un tel cristal produisait deux rayons, un rayon « ordinaire » et un rayon « extraordinaire ». Les deux rayons ayant des propriétés différentes : c'est la découverte de la biréfringence.
Huygens étudiera aussi la double réfringence des cristaux de spath, et observera que l'intensité de la lumière transmise par deux cristaux dépend de l'orientation de ces derniers. Il y a donc une asymétrie autour de la direction de propagation : ce sont les bases de la polarisation.
Christian Huygens
Augustin Fresnel
Brewster établit en 1815 les lois de la polarisation par réflexion, avec notamment l'angle qui porte son nom : l'angle de Brewster.
Fresnel observera que les faisceaux ordinaires et extraordinaires produits par biréfringence ne peuvent pas produire d'interférences, ce qui lui permettra d'établir que
la lumière est une onde transverse, et non longitudinale. David Brewster
La synthèse de ces divers travaux sur la lumière et la polarisation viendra avec Maxwell qui achèvera de construire la théorie électromagnétique avec les fameuses 4 équations de Maxwell.
5.1. Polarisation linéaire
Une onde polarisée linéairement ressemble à la figure 1.1.
Le schéma représente la forme de l'onde à un instant donné. Quand le temps augmente, les ondulations se déplacent vers la droite, dans la direction de propagation (horizontale sur le schéma), comme des vagues sur l'eau.
Les flèches indiquent les champs électrique et magnétique en chaque point le long du rayon horizontal. Ceux-ci sont perpendiculaires entre eux.
La caractéristique d'un faisceau polarisé linéairement (on omet souvent le terme "linéairement") est que le champ électrique conserve la même direction le long du faisceau (direction verticale dans l'exemple ci-dessous).
Figure 1.1. Onde polarisée linéairement. L'onde est décrite par des champs électrique et magnétique qui oscillent
5.2. Polarisation circulaire
La polarisation circulaire est un peu plus complexe que la polarisation linéaire. Dans ce cas, le champ électrique change d'orientation le long du faisceau et décrit une spirale. Il en va de même pour le champ magnétique, qui est toujours orthogonal au champ électrique (non représenté sur le schéma) :
Figure 1.2. Le champ électrique tourne le long d'un cylindre lorsque l'onde se propage dans la direction z. Le champ magnétique, non représenté, est perpendiculaire au champ magnétique et décrit donc lui aussi une spirale.
En plus des polarisations linéaire et circulaire, il existe également la polarisation elliptique. Dans ce cas, le champ électrique décrit une spirale elliptique au lieu d'une spirale circulaire le long du faisceau.
5.3. Filtre polariseur
Un filtre polariseur (de polarisation linéaire) permet de ne laisser passer que la composante du champ électrique dans une direction donnée. Le faisceau de sortie est alors polarisé linéairement :
Figure 1.3. Effet d'un filtre polariseur sur une lumière non polarisée
Il existe également des filtres qui transforment une lumière non polarisée en lumière polarisée circulairement.
Une question intéressante est de regarder ce qui se passe quand on envoie une lumière polarisée linéairement sur un polariseur linéaire. En fonction de l'orientation du polariseur, le filtre peut laisser passer toute la lumière, absorber toute la lumière, ou en laisser passer une partie, comme indiqué sur ce schéma :
5.4. Lames à retard
D'autres dispositifs optiques permettent de modifier la polarisation de la lumière. Les lames à retard sont utilisées à cet effet. Nous avons vu dans le cours qu’un faisceau polarisé peut être considéré comme étant la somme de deux composantes de polarisation orthogonales. Lors de la traversée d'une lame à retard, les propriétés de biréfringence de la lame vont faire qu'une des deux composantes est retardée par rapport à l'autre, ce qui va changer la polarisation en sortie. On dira que la lame a deux axes, un axe lent et un axe rapide.
Dans le cas d'une lame demi-onde, le déphasage entre les deux composantes est π (ou d'une demi-longueur d'onde, d'où son nom). De fait, si l'onde polarisée linéairement selon une direction faisant un angle θ avec l'axe rapide de la lame, elle ressortira avec une direction tournée d'un angle 2θ.
L'utilisation principale qui en est faite est de changer la direction de polarisation linéaire. Une onde polarisée avec un angle θ = 45° par rapport à l'axe rapide aura en sortie un angle θ = 90° avec l'axe rapide : les directions incidentes et émergentes sont donc croisées !
Dans le cas d'une lame quart d'onde, la lame permet de transformer une polarisation linéaire en une polarisation elliptique ou circulaire, et inversement
Attention ! Le fonctionnement des lames à retard dépend de la longueur d'onde !