Polarisation de la lumière

Lumière polarisée, polariseurs et verres polarisés

 

La polarisation de la lumière découle de la théorie ondulatoire de la lumière. 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 génèse  d’un phénomène visuel entoptique appelé « Brosse de Haidinger » (« Haidinger’s brush). Un phénomène entoptique est induit par l’oeil lui-même (comme les mouches volantes, qui sont liées à des corps flottants du vitré). Il nous apprend que l’oeil humain est également sensible à la polarisation de la lumière, même si cette capacité ne fait pas l’objet d’une utilisation quelconque…

Cette page 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.

Historique : découverte et caractérisation de la polarisation

Les travaux concernant la mise en évidence et la caractérisation des ondes lumineuses et leur polarisation ont occupé de nombreux scientifiques au fil des 17e, 18e et 19e siècle.

On peut dater de 1669 la première mention d’observations scientifiques liées à un phénomène de polarisation, dont la nature et les fondements étaient inconnus à l’époque. Erasmus Bartholin, qui était un mathématicien et médecin Danois publie une série d’observations intrigantes, qui partent du constat que certaines images, observées au travers d’un cristal de Spath d’Islande, apparaissent dédoublée : on parle alors d’une image « ordinaire », et d’une image « extraordinaire ». Une des images semble tourner quand on oriente le cristal dans différentes positions, alors que l’autre demeure fixe. Quand la lumière traverse deux morceaux de cristaux, une des images peut disparaitre selon certaines orientations du second cristal vis-à-vis du premier cristal, et la rotation d’un cristal modifie l’intensité d’une des deux images. Quelques années plus tard, Christian Huygens étudie à nouveau ce phénomène, qu’il tente d’expliquer par la présence d’ondelettes « secondaires », liées à une réfraction double (bi réfringence), causée par la structure du cristal. Il se heurtera à Newton, qui était partisan d’une théorie corpusculaire de la lumière.

Sir David Brewster, physicien écossais, est crédité de la découverte du phénomène de polarisation lumineuse au début du 19e siècle. C’est aussi plus d’un siècle après la mort de Newton, Etienne Louis Malus, officier sous Bonaparte, fait par hasard à son retour à Paris de la campagne d’Egypte une découverte liée à l’observation d’une réflexion de la lumière du soleil sur les vitres du palais du Luxembourg, vue au travers du cristal de Spath. Il remarque qu’une des deux images disparait pour une certaine orientation du cristal, tous les 90°. Il comprend qu’il existe un lien entre la réflexion préalable de la lumière sur les vitres (réflexion « vitreuse ») : la lumière du soleil, après réflexion sur le verre de la vitre, pouvait être dans une condition similaire à celle observée après traversée d’un premier cristal bi réfrigent. Ce phénomène était lié au fait que la réflexion peut provoquer la polarisation de la lumière. La nature même de la polarisation demeure encore inexpliquée.

Thomas Young va permettre d’éclaircir le mystère de la polarisation : il suggère des 1816 que les vibrations de la lumière pourraient être dans un plan non pas exclusivement longitudinal avec celui de la propagation (comme pour le son), mais au moins partiellement perpendiculaire (transverse) à celui-ci. Ainsi, une structure cristalline particulière pourrait « interférer » avec les vibrations et en sélectionner certaines orientations, expliquant l’apparition d’images doubles et décalées selon certaines directions en regardant au travers de certaines cristaux.  Cette théorie, qui met au premier plan le caractère ondulatoire de la lumière, suscite de vives oppositions. James Clerk Maxwell, en établissant la théorie des ondes électromagnétiques, viendrai conforter quarante ans plus tard cette théorie (1868).

 

Polarisation de la lumière.

La lumière est une onde électromagnétique et correspond à la propagation simultanée d’un champ électrique et d’un champ magnétique, dont les oscillations sont mutuellement perpendiculaires. Les oscillations s’effectuent dans un plan perpendiculaire à celui de la direction de propagation. Rappelons que dans le cas du son, les oscillations des molécules d’air sollicitées par les variations de pressions induites par l’onde sonore sont longitudinales, dans le sens de la propagation de l’onde. La polarisation correspond  à la direction qu’adoptent les oscillations du champ électrique au sein de ce plan perpendiculaire à la direction de propagation. Si cette direction n’est plus aléatoire (changement constamment au fil d’intervalles de temps très brefs), mais s’effectue selon une direction privilégiée, alors la lumière est polarisée.

polarisation lumineuse

Une lumière polarisée de manière linéaire oscille dans un plan transverse à la direction de propagation: la valeur de l’amplitude du champ électrique oscille entre 0 et une valeur maximale E0. Tant que la direction d’oscillation du champ électrique est identique, on considère que la lumière est polarisée. Pour les sources de lumières conventionnelles, les trains d’onde émis successivement dans le temps sont chacun polarisés linéairement, la direction de cette polarisation change aléatoirement, et leur brièveté fait qu’un détecteur enregistre une lumière qui « en moyenne », ne possède pas d’orientation privilégiée pour la direction d’oscillation du champ électrique.

 

Si une seule direction d’oscillation subsiste, la polarisation est dite rectiligne.

Si la direction varie de manière continue en effectuant une boucle circulaire dans le sens horaire (ou antihoraire), l’onde est polarisée circulairement. Quand la direction et l’amplitude varient de manière continue, la polarisation est elliptique.

Onde polarisée linéairement

La direction du champ électrique est fixe, mais l’amplitude du champ électrique est variable. La « pointe » du vecteur champ électrique balaie l’espace selon est plan parallèle à celui de la direction de propagation. On peut décomposer une onde polarisée linéairement en un couple de composantes qui sont orientées orthogonalement.

composantes de polarisation

Les ondes polarisées linéairement représentées en bleu et en vert sont en phase, on la même longueur d’onde, les vecteurs de leurs champ électrique respectif sont colinéaires, leur amplitude est Eyo (onde verticale) et Exo (onde horizontale). Dans le cas représenté, les ondes ont la même amplitude (Exo = Eyo) . L’addition de ces deux ondes en phase résulte en une onde polarisée de manière linéaire (en rouge).
Réciproquement, le champ électrique d’une lumière polarisée de manière linéaire peut être décomposé de manière vectorielle entre deux composantes orthogonales (d’amplitude Ex0 et Ey0 : en fonction des directions orthogonales choisies, les valeurs de Exo et Eyo peuvent être différentes, mais le rapport entre celles-ci est constant pour une direction donnée d’oscillation du champ électrique de lumière polarisée linéaire). La norme (flèches rouge) du champ électrique de l’onde polarisée de manière linéaire oscille entre deux valeurs extrèmes au sein de deux quadrants. L’amplitude E0 est donnée par la relation : EO2 = Exo2+Eyo2.
Quand le déphasage entre les ondes orthogonales est de Pi (une demi longueur d’onde), leur résultante donne également une onde polarisée linéaire (dont le vecteur oscillerait dans les autres quadrants).

Pour comprendre certains phénomènes liés à la polarisation, il est important de se rappeler que l’on peut considérer que la lumière naturelle, non polarisée, se « comporte » comme la succession très rapide dans le temps (toutes les 10-8 secondes) de deux composantes verticales et horizontales en phase,  mais dont les amplitudes respectives changent constamment, de manière à décrire chacune des orientations aléatoires prises par les trains d’onde successifs.

Onde polarisée circulairement

La direction d’oscillation est variable, mais l’amplitude de l’oscillation est constante. La « pointe » du vecteur champ électrique balaie un cercle, dans le sens horaire, ou antihoraire. On peut également décomposer une onde polarisée circulaire en deux composantes associées linéaires dont le déphasage possède une valeur particulière.

Polarisation circulaire composantes

Les ondes polarisées linéairement représentées en bleu et en vert sont ici déphasées de –Pi/2 (ou 3Pi/2), les vecteurs de leurs champ électrique respectif sont colinéaires. Pour ce déphasage particulier entre les composantes orthogonales, leur addition résulte en une onde polarisée de manière circulaire (le contour approximatif est représenté en rouge). Le champ électrique de l’onde résultante possède une amplitude constante Eo telle que EO2 = Exo2+Eyo2, mais le vecteur champ électrique adopte une direction variable, qui « tourne », ici dans le sens des aiguilles d’une montre, (le déplacement se faisant vers l’observateur): on parle de polarisation droite. Si le déphasage entre les composantes orthogonales était de + Pi/2, la polarisation serait dite « gauche », la pointe du vecteur champ électrique tournant dans le sens inverse des aiguilles d’une montre pour un observateur recevant l’onde lumineuse.

 

Onde polarisée elliptique

La direction et l’amplitude sont variables d’oscillation du champ visuel varient continuellement, et la pointe du vecteur champ électrique balaie une ellipse. On peut également décomposer une onde polarisée elliptique en deux composantes orthogonales linéaires, dont le déphasage possède une valeur située dans un intervalle donné en fonction du sens de rotation de la pointe du vecteur champ.

composante elliptique polarisation

Les ondes polarisées linéairement représentées en bleu et en vert sont déphasées d’une valeur ϕ. Les vecteurs de leurs champ électrique respectif sont colinéaires. Dans ce cas plus général, l’addition de ces deux ondes résulte en une onde polarisée de manière elliptique (en rouge). Le champ électrique de l’onde résultante possède une amplitude et une direction variable, qui « tourne » (ici dans le sens des aiguilles d’une montre), sa flèche décrivant une ellipse, dont l’orientation et les dimensions sont une fonction du déphasage et de la différence d’amplitude entre les ondes polarisées linéaires (d’amplitude différente) qui correspondent à ses composantes orthogonales. Quand ϕ est compris entre Pi et 2Pi, la polarisation est dite elliptique droite. Quand ϕ est compris entre 0 et Pi, la polarisation est dite elliptique gauche. Les ondes polarisées de manière circulaire correspondes à un cas particulier d’ondes polarisées elliptiques (ϕ = Pi/2 ou ϕ = 3Pi/2), de même que les ondes polarisées linéairement (ϕ = 0 ou ϕ = Pi). Toute onde polarisée elliptique peut être décomposée en deux composantes linéaires. Toute onde polarisée de manière linéaire peut également se décomposer en la somme de deux ondes polarisées de manière circulaire (l’une droite, l’autre gauche, les déphasages de signes opposés ex:ϕ=Pi/2 et ϕ=-Pi/2 pour les paires de composantes résultent en une annulation du déphasage résultant de l’addition de ces composantes et donc d’une polarisation de type linéaire)

 

Dans tous les cas, une onde polarisée elliptique (ou circulaire) peut être appréhendée comme la somme de deux composantes qui correspondent chacune à une onde polarisée linéairement.

De plus, on montre réciproquement qu’une onde polarisée linéairement est la somme de deux perturbations optiques polarisées circulairement, mais avec une direction opposée (droite et gauche).

La lumière naturelle, dont la direction du champ électrique oscillant varie de manière aléatoire, peut à chaque instant être assimilée à la superposition de deux ondes orthogonales polarisées linéairement, mais de phase différente (on parle d’incohérence par opposition à la cohérence lumineuse que l’on observe avec la génération d’une lumière laser) : ce déphasage varie constamment au fil du temps, et ceci explique justement les variations observées pour la direction du champ électrique.

Si l’on doit retenir une information à ce stade, c’est que quelle que soit la direction d’oscillation du champ électrique à un instant donné (sur une période brève), on peut toujours la décomposer en deux composantes orthogonales (ex : verticale et horizontale).  Cette conception vectorielle est pratique pour appréhender certains phénomènes naturels ou donnant lieu à des applications courantes. Elle peut paraître relativement abstraite, mais elle trouve pourtant une correspondance en optique photonique avec les états de spins  (moment angulaires) des photons : un faisceau de lumière polarisée circulairement à droite ne transporte que des photons de « spin droit » : un faisceau de lumière polarisée de manière linéaire transporte des photons dont la probabilité d’être en état de spin « droit » est égale à celle d’être en état de spin « gauche ».

 

Polariseurs

La lumière des sources naturelles est non polarisée, mais certains phénomènes « naturels » peuvent induire une polarisation au moins partielle de la lumière: la diffusion de la lumière solaire dans l’atmosphère s’accompagne d’une polarisation partielle. La mise au point de « filtres » polariseurs, capables de polariser la lumière remonte aux années 30.

Quand la polarisation est rectiligne (une seule direction), la composante vectorielle selon la direction perpendiculaire (toujours dans le plan d’oscillation) est nulle. On peut imaginer (et obtenir en pratique) « l’extinction » totale de cette lumière polarisée en plaçant un second polariseur dont l’axe est perpendiculaire à cette direction. C’est ainsi que « fonctionnent » les verres dits « polarisés » solaires, et ceux qui sont utilisés pour la visualisation de films en relief (3D). Si l’on place des verres polarisés selon des axes différents devant l’oeil droit et l’oeil gauche, on peut leur faire voir des images différentes, en prenant garde bien sûr à aligner soigneusement la polarisation de ces images vis à vis de celle des polariseurs de l’oeil droit et gauche.

 

Rappelons encore que la lumière non polarisée est une lumière dont le champ électrique oscille sans direction privilégiée : elle est émise par des sources comme le soleil, les lampes, etc.. Les atomes de ces sources émettent des trains d’ondes successifs qui sont eux polarisés, mais sur des durées très brèves (de l’ordre de 10-8 secondes) : de ce fait, l’orientation moyenne de la vibration du champ ne possède pas d’orientation privilégiée : la lumière naturelle peut toutefois être décomposée en deux composantes orthogonales polarisées linéairement (ex : verticale et horizontale), dont le déphasage varie au fil du temps.

Il est donc aisé de comprendre que de la lumière polarisée peut être obtenue à partir de la lumière non polarisée: la polarisation se produit quand certaines composantes sont « absorbées », et il existe quatre phénomènes physiques à même de produire de la lumière polarisée à partir de la lumière non polarisée : le dichroïsme (absorption différentielle par un filtre), la diffusion (interaction de la lumière avec de fines particules), la réflexion (la lumière se réfléchit sur une surface et se polarise lors de la réflexion), et la biréfringence ( le matériau possède des propriétés différentes selon la direction empruntée par la lumière, ex : le cristal de Spath).

Nous insisterons surtout sur les trois premiers phénomènes.

La polarisation par réflexion  justifie l’existence des verres filtrants dits polarisants. En effet, la réflexion de la lumière non polarisée sur certains matériaux produit une polarisation de la lumière incidente.

 

Polarisation par réflexion

Ce type de polarisation est courant car, il est engendré par la simple réflexion de la lumière sur une surface réfléchissante : verre, eau, neige… Pour comprendre son mécanisme de manière intuitive, il faut revenir à des notions basiques concernant l’interaction entre une onde plane électrique et une molécule. Ces notions permettent également de bien comprendre la polarisation par diffusion.

La vibration d’un atome, que l’on peut assimiler à un dipôle électrique (noyau : charge positive, électrons : charge négative) se fait dans la direction de vibration champ électrique, c’est-à-dire dans la direction perpendiculaire à la propagation de l’onde lumineuse (un peu à la manière d’un bouchon sur l’eau, qui monte et descend lors du passage d’une vague). Le dipôle engendre une variation secondaire du champ électrique dans les directions les plus proches de celle de la propagation, mais pas dans sa direction de vibration. La direction de vibration est perpendiculaire à la direction de propagation.

dipole oscillant

Emission d’un champ électrique par un dipôle oscillant, constitué d’un couple de charges de signes opposé. Ce mécanisme est celui par lequel la lumière peut être générée à partir du réarrangement des électrons des couches superficielles des atomes. Une « desexcitation  spontanée » provoque l’émission d’énergie lumineuse. L’axe de vibration du dipôle est perpendiculaire à la direction de propagation le long de laquelle se constituent les lignes de champ électrique. La direction de propagation est elle-même transversale au plan de vibration du champ électrique. Il est important de noter qu’il n’y a pas d’émission d’onde dans la direction de vibration du dipôle: ceci est important pour comprendre le phénomène de polarisation par diffusion lumineuse.

 

La lumière incidente non polarisée réfléchie par une surface comme un plan d’eau est non polarisée; elle peut donc être vue comme l’addition de deux composantes (verticale et horizontale) dont les amplitudes fluctuent constamment au fil du temps. L direction empruntée par le rayon réfracté découle des lois de la réfraction (loi de Snell Descartes). L’angle formé par le rayon réfléchi est égal à l’angle d’incidence.

Quand la direction de la lumière réfléchie par la surface est perpendiculaire à celle prise par le rayon réfracté, la composante verticale de l’onde réfléchie est « éteinte », et seule la composante horizontale est réfléchie. Ceci peut se déduire du fait que la direction de vibration des dipôles oscillants proches de la surface au point de réflexion est exactement perpendiculaire à la direction du rayon réfléchi.  L’angle pour lequel la composante verticale réfléchie est nulle est appelé angle de Brewster. Sir David Brewster (1781-1868)  est le premier physicien a avoir découvert le phénomène de polarisation, et l’inventeur du kaléidoscope.

Angle de Brewster

Pour un angle d’incidence particulier appelé angle de Brewster, l’onde réfléchie est polarisée (pas de composante du vecteur polarisation dans le plan perpendiculaire au plan d’incidence. Cet angle est tel que le rayon réfracté (formant un angle rB avec la normale à la surface) et le rayon réfléchi (formant un angle iB avec la normale) sont perpendiculaires. Ceci revient à écrire que iB + rB =90°. Cet angle dépend de l’indice n du milieu réfléchissant car on montre que tan (iB) = n. Ce phénomène explique que les verres de lunettes dits « polarisants » ont un axe de transmission vertical : ils « coupent » ainsi la composante horizontale qui correspond à lumière des reflets d’une piste enneigée, d’un plan d’eau, du bitume, etc.

Ainsi, en incidence dite de Breswster, la lumière réfléchie est complètement polarisée, la direction de polarisation est perpendiculaire au plan d’incidence. L’angle de Brewster dépend de l’indice de réfraction du matériau réfléchissant (n). Dans l’air, la relation qui relie l’angle de Brewster IB  à l’indice n est :

Tangente (IB) = n

Pour une interface air/verre (n=1,50), IB =56,3°

Pour une interface air/eau (n=1,33), IB =53,1°

 

Les reflets de la lumière du soleil sur l’eau, la neige, sont (pour un angle d’incidence proche de l’angle de Brewster, soit 53° pour l’eau) sont polarisés parallèlement à la surface réfléchissante horizontale. Un polariseur dont la transmission est verticale (ex : lunettes de soleil avec des verres dits polarisants) présente l’intérêt de supprimer une grande partie de la lumière réfléchie. La capacité à « coupe » et/ou « transmettre »sélectivement certaines directions est propre à certains matériaux naturels ou artificiels; ceux-ci présentent une propriété dite de « dichroïsme », qui leur permet d’absorber le champ d’induction électrique d’une onde lumineuse plus fortement dans certaines directions que dans d’autre.

 

Dichroïsme

Certains matériaux naturels, dits anisotropes, permettent d’absorber une composante vectorielle du champ électrique E. Par exemple, si le matériau possède une structure polymérique orientée selon une direction particulière, on peut stipuler que la direction des chaines du polymère se comporte comme un « fil électrique », qui dissipe la vibration du champ électrique de l’onde dans cette direction.

Les premiers films polaroïds, qui furent les premiers polarisateurs artificiels mis au point en 1938 par Edwin Land, qui fondera la compagnie Polaroid corporation à la même époque. Plus connue du grand public pour ses appareils photos à développement instantané (dont la mise au point fut ultérieure, à l’après guerre), les produits conçus par la Polaroid corporation étaient des polariseurs qui équipèrent les viseurs d’armements et les lunettes protectrices des soldats américains : Land avait choisi d’utiliser de la quinine (sous forme de cristaux d’iodosulfate de quinine), qui était munie de propriétés dichroïques, mais dont les difficultés d’approvisionnement le conduire à en mettre au point la synthèse artificielle, ce qui constitua une avancée en pharmacologie Les films polaroids étaient constitués d’un matériau sur lequel un film de polymères conducteurs étirés était déposé, orientés par étirage mécanique ou action d’un champ magnétique.

Quand une certaine épaisseur du matériau anisotrope est traversée par de la lumière non polarisée, il finit par « éteindre » (par effet Joule) la vibration du champ électrique quand elle s’effectue dans la direction propre à l’organisation anisotrope du matériau (le long des filaments – ceci survient de manière aléatoire). Dans la direction opposée, il n’y a pas de possibilité de conduction, et la composante vectorielle du champ électrique est inchangée. La direction d’oscillation rectiligne du champ électrique à la sortie d’un polariseur s’appelle la direction » caractéristique du polariseur.

Polariseur

Le polariseur linéaire reçoit une lumière naturelle non polarisée, que l’on peut assimiler à la succession de trains d’ondes dont les composantes verticales et horizontales varient sans cesse de manière aléatoire. Après interaction avec un polariseur horizontal (dont l’axe de transmission est horizontal), seule la composante horizontale est transmise. L’orientation des chaines moléculaires du matériau dichroïque utilisé pour le polariseur est perpendiculaire à l’axe de transmission.

La représentation schématique d’un polariseur fait appel à une « grille » à interstices, qui reprend l’orientation des axes des filaments moléculaires de la substance dichroïque qui dissipent la composante du champ électrique qui leur est parallèle. La lumière qui sort d’un tel polariseur n’est pas polarisée dans la direction des interstices mais perpendiculairement à ceux-ci.

On peut utiliser un polariseur linéaire pour déterminer la direction de polarisation d’une lumière incidente polarisée.

L’atténuation partielle de la vibration selon certaines directions résulte en une réduction globale de l’intensité lumineuse, qui va de pair avec la polarisation de la lumière. Dans le cas d’un polariseur rectiligne recevant de la lumière non polarisée, l’atténuation théorique de l’intensité de la lumière incidente est égale à 50% (en pratique l’atténuation est plus élevée en raison notamment des phénomènes de réflexion sur le polariseur, etc.).

On comprend intuitivement que si une lumière déjà polarisée de manière rectiligne traverse un matériau muni de la propriété de dichroïsme, l’atténuation sera totale si l’orientation du « polaroïd » est accomplie selon une direction particulière. En faisant tourner le polaroid, si l’on observe une extinction totale de la lumière transmise, alors on peut en déduire que la lumière est polarisée de manière rectiligne, et que la direction de cette polarisation est perpendiculaire à la direction caractéristique du polariseur.

polarisation oblique LCD

Un verres solaire polarisé transmet la composante verticale au détriment de la composante horizontale du champ électrique (pour réduire préférentiellement l’intensité des reflets horizontaux). La lumière émise par les écrans LCD (ex: ordinateur portable) est polarisée dans une direction oblique, puisque lorsque que l’on incline le verre polarisé, on obtient une « extinction lumineuse » quasi complète pour un angle proche de 45°.

Si une lumière polarisée de manière rectiligne (par un premier polariseur) et d’intensité Ip traverse un second polariseur rectiligne (appelé analyseur), seule la composante vectorielle du champ électrique située dans l’axe du second polariseur le traverse : cette composante a pour norme Ip x cos A où A est l’angle formé entre la direction d’oscillation après traversée du premier polariseur et le second polariseur. L’intensité résultante de la traversée du second polariseur Ia est proportionnelle au carré de l’amplitude d’oscillation, donc Ia = Ip x (cos A)2.. Quand A=90°, l’intensité transmise est nulle.

Loi de Malus

Le polariseur reçoit une lumière naturelle, dont l’irradiance est I0. L’axe de transmission du polariseur forme un angle θ avec l’analyseur, on montre que l’intensité reçue par le détecteur en sortie est I’=I x cos2θ . Cette loi est est connue sous le nom de loi de Malus.
Cette formule ne s’applique qu’entre deux polariseurs. La lumière reçue par le premier polariseur est non polarisée, son intensité peut être calculée par une intégrale dont le résultat est I0/2. Prenons un exemple ou la lumière incidente serait en intensité telle que I0=20 W/m2. Après le polariseur, l’intensité est 10 W/m2. . A la sortie de l’analyseur, l’intensité est 10 cos2(30°) =7,5W/m2

Les verres solaires dits « polarisants » agissent comme des « filtres » qui coupent la lumière polarisée par réflexion (voir plus loin). L’orientation du polarisateur (axe caractéristique) doit se faire dans un axe judicieux vis-à-vis de la réflexion. Dans le cas des verres de lunettes solaires, l’axe de transmission est vertical, car la lumière issue des reflets sur le sol (neige, eau) est polarisée horizontalement par la réflexion. Les verres polarisés réduisent l’intensité lumineuse d’une lumière incidente non polarisée d’au moins 50%.

Un polariseur peut être utilisé pour moduler l’énergie d’un faisceau de lumière laser femtoseconde infrarouge (la modulation permet généralement de réduire l’énergie de chaque impact quand on réduits la distance entre les impacts consécutifs et inversement).

L'orientation de la roue de polarisation permet de moduler l'énergie du rayonnement laser en atténuant une composante du faisceau laser polarisé de manière linéaire.

L’orientation de la roue de polarisation permet de moduler l’énergie du rayonnement laser en atténuant une composante du faisceau laser polarisé de manière linéaire (laser femtoseconde IFS 150 – Intralase Abbot)

 

Polarisation par diffusion.

C’est un phénomène plus complexe, que l’on peut mettre en évidence en constatant que la lumière du ciel est partiellement polarisée ; au travers d’un polariseur orienté horizontalement, la lumière du ciel observée à 90° d’un soleil couchant est très atténuée : en effet, la lumière recueillie est alors polarisée préférentiellement dans une direction verticale.

La diffusion de la lumière soleil dans l’atmosphère dépourvue de nuages est liée à diffusion par les molécules d’air dont les dimensions sont largement inférieures à celles de la longueur d’onde de la lumière (les molécules sont au moins dix fois plus petites que la longueur d’onde lumineuse : ces conditions de la diffusion dite de Rayleigh). La molécule se comporte comme un dipôle oscillant, qui vibre sous l’action (dans la direction) du champ électrique incident: elle transmet cette vibration dans toutes les directions, sauf celle située dans l’axe de la vibration du dipôle. La diffusion se fait dans toutes les directions autour de la particule.

L’intensité de la lumière diffusée dans les conditions de Rayleigh dépend de sa longueur d’onde ; elle est d’autant plus importante que la longueur d’onde est courte (effet en ʎ4). Le bleu (430 nm) est 1,6 fois plus court que le rouge (700 nm) : ainsi le bleu est diffusé plus de 7 fois plus que le rouge. Cet éparpillement dans toutes les directions des courtes longueurs d’onde explique la couleur bleue du ciel. Le ciel est bleu pour des raisons liées à la diffusion supérieure des radiations bleues.

explication couleur bleue du ciel

En l’absence d’atmosphère (ou si l’atmosphère ne diffusait pas la lumière du soleil), le ciel serait noir (comme sur la Lune). La couleur bleue du ciel s’explique par la diffusion de Rayleigh, qui repose sur l’interaction entre les ondes lumineuses et les molécules d’air (dont la taille est inférieure à la longueur d’onde des rayons du spectre visible). Ce type de diffusion dépend de la longueur d’onde et est plus marquée pour les courtes radiations (bleu) que les longues radiations (rouge). Quand on regarde le ciel, notre œil reçoit la lumière qui se propage dans sa direction. Etant donné la diffusion accrue de la lumière bleue, l’œil reçoit plus de rayons bleus que de rayons rouges, qui sont plus directionnels. Où que l’on regarde dans le ciel, le bleu domine, du moins tant qu’il fait beau. La présence de gouttelettes d’eau oppose à la propagation des ondes lumineuses des obstacles plus gros que les molécules d’air. On est dans les conditions de diffusion de type « Mie », où la longueur d’onde d’onde joue un rôle moins significatif. Les nuages sont blancs car ils diffusent de manière homogène les radiations du spectre visible (dont le mélange additif donne l’impression de couleur « blanche »). La diffusion par les molécules d’air (Rayleigh) provoque une polarisation des ondes diffusées, à laquelle l’œil humain n’est pas sensible (à l’exception du phénomène de « Brosse de Haidiger », voir plus loin, contrairement à celui de certains insectes.

 

Les nuages sont blancs car ils diffusent de manière équivalente les différentes longueurs d’onde : les gouttelettes d’eau qui les constituent ont une dimension bien supérieure à la longueur d’onde des radiations du spectre visible : la diffusion se fait alors dans les conditions dites de Mie, c’est-à-dire non sensible à la longueur d’onde, et principalement vers l’avant, dans la direction de propagation initiale. La couleur des nuages est composée d’une diffusion homogène des radiations colorées du spectre visible, et ces nuages sont donc blancs.

 

Au coucher du soleil, la lumière traverse une couche d’atmosphère plus épaisse, ce qui appauvri encore plus en bleu la lumière parvenant à l’œil d’un observateur. La lumière prend une teinte orangée, et les nuages adoptent également une teinte rougeâtre.

pourquoi la lumière du soir est rouge

Au coucher, l’épaisseur d’atmosphère traversée par la lumière avant d’atteindre et illuminer les nuages et le sol terrestre parcourt une distance plus grande en raison de l’incidence rasante des rayons solaires. Ceci accroit l’importance de la diffusion de type Rayleigh des radiations courtes (bleues): le rouge est moins diffusé et l’intensité de la lumière rouge devient relativement plus importante au niveau de la basse atmosphère. La lumière prend pour l’observateur une teinte rougeâtre, qui ces belles couleurs roses et orangées aux nuages du soleil couchant.

La polarisation liée à la diffusion peut se comprendre comme la conséquence de la vibration des nuages électroniques des atomes impliqués dans la diffusion. L’onde plane sinusoïdale oscille à la fréquence et dans la direction de vibration du champ électrique incident. L’atome ou la molécule se polarise et se comporte comme un dipôle oscillant, qui va rayonner une puissance variable selon la direction : maximale dans la direction perpendiculaire au dipôle, elle est nulle dans l’axe de celui-ci (dans l’axe de la vibration).

Reprenons le principe de la décomposition en composantes orthogonales de la lumière incidente, et observons ce qui se passe pour chacune des composantes lors de la diffusion par une molécule (exemple: molécule d’air). Ceci permettra de comprendre l’effet de l’angle de diffusion sur la direction de la polarisation.

polarisation diffusion

Diffusion de la lumière polarisée linéairement (composante verticale) par une molécule (dipôle), qui « oscille » dans la direction verticale, et diffuse l’onde incidente dans plusieurs directions. Dans l’axe de vibration, l’onde n’est pas transmise, mais elle l’est dans toutes les autres.

polarisation diffusion

Diffusion de la lumière polarisée linéairement (composante horizontale) par une molécule (dipôle), qui « oscille » dans la direction horizontale, et diffuse l’onde incidente dans plusieurs directions. Dans l’axe de vibration (horizontale) l’onde n’est pas transmise, mais elle l’est dans les autres.

diffusion polarisation composantes réunies

Une lumière incidente non polarisée peut être assimilée à la superposition d’une composante verticale et horizontale; en vertu des différences de transmission liées à la direction de vibration, la lumière est complètement polarisée à 90° de l’axe de propagation, ne l’est pas dans l’axe de propagation, et l’est partiellement dans les autres directions. C’est pour cette raison que la lumière solaire diffusée par les molécules d’air apparaît fortement polarisée quand on la reçoit depuis une direction perpendiculaire à sa direction.

 

 

Des diagrammes relativement complexes permettent de comprendre l’effet de polarisation de la lumière solaire par la diffusion dans la haute atmosphère ; au soleil couchant, la polarisation est verticale vers l’horizon, en particulier à 90° de la position du soleil, car à l’opposé de celui-ci (ex : à l’est quand le soleil se couche), la polarisation est horizontale.

polarisation lumière du soleil

La lumière du soleil se polarise au cours de sa diffusion dans l’atmosphère. Le long du vertical solaire, qui contient le plan passant par la projection du soleil sur la voute céleste, l’observateur et le zénith, la lumière solaire se polarise préférentiellement horizontalement par diffusion. Le point visé, l’observateur et le soleil définissent un plan (en rose) vis-à-vis duquel la direction préférentielle de polarisation est verticale. C’est logiquement à 90° du soleil que la polarisation verticale est maximale. L’œil humain n’est pas sensible à la polarisation de la lumière, contrairement à l’œil de certains insectes (mouches, abeilles) ou animaux qui utilisent cette sensibilité pour s’orienter.

L’utilisation de filtres polarisants en photographie repose sur le filtrage de certaines composantes de la lumière atmosphérique diffusée: ceci permet d’accentuer le contraste entre le ciel (assombri par « coupure » d’une composante polarisée) et les nuages. L’orientation du filtre permet de moduler ce type d’effet, puisque la lumière du ciel est partiellement polarisée.

Brosse de Haidinger

Ce phénomène entoptique (induit par l’oeil) est le seul phénomène visuel induit par la polarisation de la lumière « in situ », cet à dire au niveau de la rétine. Il a été découvert par un gemmologue autrichien (Wilhelm K. von Haidinger’s :1795-1871). Il est lié à une orientation particulière de certaines molécules (lutéine, pigment xantophylle) qui est une substance dont les chaines moléculaires possèdent des propriété dichroïques. Dans certaines conditions, qui requièrent la réception par l’oeil d’une lumière au moins partiellement polarisée, on peut apercevoir un motif très discret ressemblant à un « sablier » jaunâtre, dont l’orientation dépend de la direction de polarisation de l’onde lumineuse incidente (elle lui est perpendiculaire). L’utilisation d’un écran LCD (par exemple, celui de l’ordinateur sur lequel vous êtes entrain de consulter cette page?) est pratique car ce type d’écran (contenant une matrice de cristaux liquides) polarise la lumière, généralement dans une direction oblique. Il faut sinon regarder le ciel, vers l’horizon, à 90° du soleil si possible, puisque nous avons vu que la lumière adoptait une direction de polarisation partielle verticale.  Grâce à ce phénomène, on peut affirmer que l’oeil humain est sensible (légèrement!) à la polarisation de la lumière!

Haidiger

Représentation schématique du phénomène de « brosse de Haidinger »: la perception d’un halo de coloration jaunâtre en « diabolo » au centre de la vision, dont l’orientation est fixe : elle ne dépend pas de l’orientation propre de la tête (elle dépend en revanche de celle de l’écran et de sa direction de polarisation), mais le phénomène est mieux perçu parfois lorsque la tête est légèrement inclinée. L’orientation oblique est liée à la polarisation oblique de l’écran, dirigée perpendiculairement à l’axe du diabolo.

 

Ces molécules doivent posséder une disposition orientée, au moins relative, pour créer une polarisation, et produire ainsi une variation spatiale de l’intensité lumineuse reçue. Une explication est représentée schématiquement ci dessous :

explication Haidiger

Une explications plausible du mécanisme est liée à l’interaction entre une lumière polarisée (ici verticale) et les chaines moléculaires du pigment rétinien maculaire, que la lumière incidente traverse avant de rencontrer les photorécepteurs rétiniens sous jacent. Dans l’aire dont le périmètre est représenté approximativement en gris, la direction de polarisation est globalement parallèle à celle des chaines moléculaires (en pointillés oranges). Dans cette zone, la transmission de cette composante serait donc atténuée. Le fait que la cornée ou d’autres structures rétiniennes comme les photorécepteurs puissent avoir des propriétés dichroïques participe certainement à ce phénomène particulier.

 

Références

-Houard S. Optique, une approche expérimentale et pratique. De Boeck, 2011 – Chapitre 9: Polarisation de la lumière

-Hecht E .Optics, Fourth Edition. Pearson new international edition. 2013 – Chapter 8 : Polarization

 

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