Qu'est-ce que la lumière polarisée?

La lumière polarisée est un rayonnement électromagnétique qui vibre dans un seul plan perpendiculaire à la direction de propagation. La vibration dans un plan signifie que le vecteur de champ électrique de l'onde lumineuse oscille parallèlement à un espace de deux composantes rectangulaires, comme dans le cas du plan de polarisation xy.

La lumière naturelle ou artificielle est un train d'ondes de rayonnement électromagnétique dont les champs électriques oscillent de manière aléatoire dans tous les plans perpendiculaires à la direction de propagation. Lorsqu'une partie seulement du rayonnement est limitée à osciller dans un seul plan, on dit que la lumière est polarisée.

Une façon d'obtenir de la lumière polarisée consiste à inciser un rayon de lumière dans un filtre polarisant constitué d'une structure polymère orientée dans une seule direction, ne laissant passer que les ondes qui oscillent dans le même plan, tandis que les autres ondes sont absorbées. .

Le rayon de lumière qui traverse le filtre a moins d’intensité que le rayon incident. Cette particularité permet de distinguer la lumière polarisée de la lumière non polarisée. L'œil humain n'a pas la capacité de faire la distinction entre l'un et l'autre.

La lumière peut être polarisée de manière linéaire, circulaire ou elliptique en fonction de la direction de propagation de l'onde. De plus, la lumière polarisée peut être obtenue par des processus physiques tels que la réflexion, la réfraction, la diffraction et la biréfringence.

Lumière polarisée linéairement

Lorsque le champ électrique de l'onde lumineuse oscille constamment, décrivant une ligne droite dans le plan perpendiculaire à la propagation, on dit que la lumière est polarisée linéairement. Dans cet état de polarisation, les phases des deux composantes du champ électrique sont les mêmes.

Si deux ondes polarisées linéairement, qui vibrent dans des plans perpendiculaires entre elles, sont superposées, une autre onde polarisée linéairement est obtenue. L'onde de lumière obtenue sera en phase avec les précédentes. Deux ondes sont en phase lorsqu'elles présentent le même déplacement dans le même temps.

Lumière polarisée circulaire

L'onde lumineuse dont le vecteur de champ électrique oscille de manière circulaire dans le même plan perpendiculaire à la propagation est polarisée de manière circulaire. Dans cet état de polarisation, la magnitude du champ électrique reste constante. L'orientation du champ électrique est dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse.

Le champ électrique de la lumière polarisée décrit des trajectoires circulaires à fréquence angulaire constante.

Deux ondes lumineuses à polarisation linéaire qui se chevauchent perpendiculairement, avec une différence de phase de 90 °, forment une onde de lumière à polarisation circulaire.

Lumière polarisée elliptiquement

Dans cet état de polarisation, le champ électrique de l'onde lumineuse décrit une ellipse dans tout le plan perpendiculaire à la propagation et est orientée dans le sens de la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse.

La superposition perpendiculaire de deux ondes lumineuses, l’une à polarisation linéaire et l’autre à polarisation circulaire et avec un déphasage de 90 °, génère une onde lumineuse à polarisation elliptique. L'onde de lumière polarisée est semblable au cas de la polarisation circulaire, mais la magnitude du champ électrique varie.

Lumière polarisée par réflexion

La lumière polarisée par réflexion a été découverte par Malus en 1808. Malus a observé que lorsqu'un faisceau de lumière non polarisée frappe une plaque de verre transparente et bien polie, une partie de la lumière est réfractée lorsqu'elle traverse la plaque et l'autre partie se réfléchit. Un angle de 90 ° entre le rayon réfracté et le rayon réfléchi.

Le faisceau lumineux réfléchi est polarisé linéairement en oscillant dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation et son degré de polarisation dépend de l'angle d'incidence.

L’angle d’incidence selon lequel le faisceau lumineux réfléchi est complètement polarisé est appelé angle de Brewster (θ _B )

Lumière polarisée par réfraction

Si un faisceau de lumière non polarisé frappe l'angle de Brewster ( θ _B ) sur un empilement de plaques de verre, une partie des vibrations perpendiculaires au plan d'incidence est réfléchie sur chacune des plaques et le reste des vibrations est réfracté.

Le résultat net est que tous les faisceaux réfléchis sont polarisés dans le même plan tandis que les faisceaux réfractés sont partiellement polarisés.

Plus le nombre de surfaces est grand, plus le faisceau réfracté perdra de plus en plus d'oscillations perpendiculaires au plan. A la fin, la lumière transmise sera polarisée linéairement dans le même plan d'incidence de la lumière non polarisée.

Lumière polarisée par dispersion

La lumière qui tombe sur les petites particules en suspension dans un milieu est absorbée par sa structure atomique. Le champ électrique induit dans les atomes et les molécules a des vibrations parallèles au plan d'oscillation de la lumière incidente.

De même, le champ électrique est perpendiculaire à la direction de propagation. Au cours de ce processus, les atomes émettent des photons de lumière qui s'écartent dans toutes les directions possibles.

Les photons émis constituent un ensemble d'ondes de lumière diffusées par les particules. La partie de la lumière diffusée perpendiculaire au faisceau de lumière incidente est polarisée linéairement. L'autre partie de la lumière diffusée dans une direction parallèle n'est pas polarisée, le reste de la lumière diffusée par les particules est partiellement polarisé.

La dispersion de particules de taille comparable à la longueur d'onde de la lumière incidente s'appelle la diffusion de Rayleigh. Ce type de dispersion permet d'expliquer la couleur bleue du ciel ou la couleur rouge du coucher de soleil.

La dispersion de Rayleigh a une dépendance inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la longueur d'onde (1 / λ 4).

Lumière polarisée par biréfringence

La biréfringence est une propriété caractéristique de certains matériaux, tels que la calcite et le quartz, qui ont deux indices de réfraction. La lumière polarisée par biréfringence est obtenue lorsqu'un rayon de lumière frappe un matériau biréfringent se séparant en un rayon réfléchi et en deux rayons réfractés.

Des deux rayons réfractés, l'un dévie plus que l'autre, oscillant perpendiculairement au plan d'incidence, tandis que l'autre oscille en parallèle. Les deux rayons émergent du matériau avec une polarisation linéaire vers le plan d'incidence.