1.8 : Polarisation

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Objectifs d'apprentissage

À la fin de cette section, vous serez en mesure de :

Expliquer le changement d'intensité lorsque la lumière polarisée passe à travers un filtre polarisant
Calculez l'effet de la polarisation par réflexion et angle de Brewster
Décrire l'effet de la polarisation par diffusion
Expliquer l'utilisation de matériaux polarisants dans des dispositifs tels que les écrans LCD

Les lunettes de soleil polarisantes sont connues de la plupart d'entre nous. Ils ont une capacité particulière à réduire l'éblouissement de la lumière réfléchie par l'eau ou le verre (Figure\(\PageIndex{1}\)). Ils ont cette capacité en raison d' une onde caractéristique de la lumière appelée polarisation. Qu'est-ce que la polarisation ? Comment est-il produit ? Quelles sont certaines de ses utilisations ? Les réponses à ces questions sont liées au caractère ondulatoire de la lumière.

La figure possède deux photographies de la même partie d'une rivière. Sur la figure a, les nuages et le ciel se reflètent dans l'eau, ce qui rend difficile de voir les pierres au fond de la rivière. Sur la figure b, le reflet du ciel est absent et le fond de la rivière est plus clairement visible. — Figure\(\PageIndex{1}\) : Ces deux photographies d'une rivière montrent l'effet d'un filtre polarisant sur la réduction de l'éblouissement dû à la lumière réfléchie par la surface de l'eau. La partie (b) de cette figure a été prise avec un filtre polarisant et la partie (a) ne l'a pas été. Par conséquent, la réflexion des nuages et du ciel observée dans la partie (a) n'est pas observée dans la partie (b). Les lunettes de soleil polarisantes sont particulièrement utiles sur la neige et l'eau. (crédit a et crédit b : modifications de l' œuvre par « Amithshs » /Wikimedia Commons)

Loi de Malus

La lumière est un type d'onde électromagnétique (EM). Les ondes EM sont des ondes transversales constituées de champs électriques et magnétiques variables qui oscillent perpendiculairement à la direction de propagation (Figure \(\PageIndex{2}\)). Cependant, en général, il n'existe pas de direction spécifique pour les oscillations des champs électriques et magnétiques ; ils vibrent dans n'importe quel plan orienté aléatoirement perpendiculaire à la direction de propagation. La polarisation est l'attribut selon lequel les oscillations d'une onde ont une direction définie par rapport à la direction de propagation de l'onde. (Il ne s'agit pas du même type de polarisation que celui discuté pour la séparation des charges.) Les ondes ayant une telle direction sont dites polarisées. Pour une onde EM, nous définissons la direction de polarisation comme étant la direction parallèle au champ électrique. Ainsi, nous pouvons considérer les flèches du champ électrique comme indiquant la direction de la polarisation, comme sur la figure \(\PageIndex{2}\).

Une partie d'une onde électromagnétique se déplaçant à la vitesse c est représentée à un instant. Les deux composantes du vecteur, E et B, sont représentées et sont perpendiculaires l'une à l'autre et à la direction de propagation. Les vecteurs représentant l'amplitude et la direction de E, représentés par des flèches dont la queue se trouve sur la ligne de propagation de l'onde, forment une onde sinusoïdale dans un plan. De même, les vecteurs B forment une onde sinusoïdale dans un plan perpendiculaire à l'onde E. Les ondes E et B sont en phase. La direction de polarisation est donnée par la direction des vecteurs E. — Figure\(\PageIndex{2}\) : Une onde EM, telle que la lumière, est une onde transversale. Les \(\overrightarrow{B}\) champs électriques\(\overrightarrow{E}\) et magnétiques sont perpendiculaires à la direction de propagation. La direction de polarisation de l'onde est la direction du champ électrique.

Pour examiner cela plus en détail, considérez les ondes transversales dans les cordes illustrées sur la figure\(\PageIndex{3}\). Les oscillations d'une corde se situent dans un plan vertical et sont dites polarisées verticalement. Ceux de l'autre corde se trouvent dans un plan horizontal et sont polarisés horizontalement. Si une fente verticale est placée sur la première corde, les vagues passent à travers. Cependant, une fente verticale bloque les ondes polarisées horizontalement. Pour les ondes électromagnétiques, la direction du champ électrique est analogue à celle des perturbations sur les cordes.

La figure a montre des vagues sur une corde oscillant verticalement qui traversent une fente verticale. L'oscillation verticale est la direction de polarisation. La figure b montre des vagues sur un câble oscillant horizontalement qui ne passent pas par une fente verticale similaire. L'oscillation horizontale est la direction de polarisation. — Figure\(\PageIndex{3}\) : Les oscillations transversales d'une corde (a) se font dans un plan vertical et celles de l'autre corde (b) dans un plan horizontal. Le premier est dit polarisé verticalement et l'autre est dit polarisé horizontalement. Les fentes verticales laissent passer les ondes polarisées verticalement et bloquent les ondes polarisées horizontalement.

Le soleil et de nombreuses autres sources de lumière produisent des ondes dont les champs électriques sont dirigés dans des directions aléatoires (Figure\(\PageIndex{1a}\)). Cette lumière est dite non polarisée, car elle est composée de nombreuses ondes dans toutes les directions de polarisation possibles. Les matériaux Polaroid, inventés par le fondateur de Polaroid Corporation, Edwin Land, agissent comme une fente polarisante pour la lumière, ne laissant passer que la polarisation dans une seule direction. Les filtres polarisants sont composés de longues molécules alignées dans une direction. Si nous considérons les molécules comme de nombreuses fentes, analogues à celles des cordes oscillantes, nous pouvons comprendre pourquoi seule la lumière ayant une polarisation spécifique peut passer. L'axe d'un filtre polarisant est la direction dans laquelle le filtre laisse passer le champ électrique d'une onde EM.

La figure a montre une fine flèche bleue pointant vers l'extérieur de la page et vers la droite, intitulée Direction du rayon. Huit flèches rouges émanent d'un point du rayon et sont identifiées comme des vecteurs E. Ces flèches se situent toutes dans un plan perpendiculaire au rayon et sont uniformément réparties autour du rayon. Ils sont étiquetés comme représentant une polarisation aléatoire. Sur la figure b, un rayon similaire mais plus long est représenté avec les mêmes flèches rouges émanant d'un point proche de l'extrémité gauche du rayon. Plus à droite, sur le même rayon, se trouve un mince rectangle avec six fentes verticales régulièrement espacées. Ce rectangle est étiqueté filtre polarisant. Une flèche verticale à double pointe sur sa surface est étiquetée axe. À droite du filtre, centrée sur le rayon, se trouve une seule flèche bleue à deux pointes orientée verticalement, étiquetée E et direction de polarisation. — Figure\(\PageIndex{4}\) : La flèche fine représente un rayon de lumière non polarisée. Les flèches en gras représentent la direction de polarisation des différentes ondes composant le rayon. a) Si la lumière n'est pas polarisée, les flèches pointent dans toutes les directions. (b) Un filtre polarisant possède un axe de polarisation qui agit comme une fente traversant des champs électriques parallèles à sa direction. La direction de polarisation d'une onde EM est définie comme étant la direction de son champ électrique.

La figure\(\PageIndex{5}\) montre l'effet de deux filtres polarisants sur la lumière non polarisée à l'origine. Le premier filtre polarise la lumière le long de son axe. Lorsque les axes des premier et second filtres sont alignés (parallèles), toute la lumière polarisée passée par le premier filtre passe également par le second filtre. Si le second filtre polarisant est tourné, seule la composante de la lumière parallèle à l'axe du second filtre passe. Lorsque les axes sont perpendiculaires, aucune lumière n'est transmise par le second filtre.

Cette figure montre trois illustrations de lumière polarisée aléatoirement passant à travers deux filtres polarisants, l'un après l'autre, dans différentes orientations. Sur la figure a, les deux filtres ont des axes orientés parallèlement l'un à l'autre, en b l'axe du second filtre fait un angle intermédiaire, compris entre zéro et quatre-vingt-dix degrés, par rapport au premier, et en c, l'axe du second filtre est perpendiculaire à celui du premier. La figure d est une photographie du résultat réel du premier (parallèle) et dernier agencement (perpendiculaire). Dans tous les agencements, la lumière source est polarisée de manière aléatoire, indiquée par des flèches vectorielles E pointant dans toutes les directions d'un plan perpendiculaire à la direction de propagation du rayon. Dans tous les agencements, la lumière qui a traversé le premier filtre, dont l'axe est orienté verticalement, est polarisée verticalement, indiquée par des flèches vectorielles E qui pointent uniquement verticalement vers le haut et vers le bas. Sur la figure a, toute la lumière polarisée passe par le second filtre polarisant, dont l'axe est parallèle au premier, tout en étant toujours polarisé verticalement. Sur la figure b, seule une partie de la lumière passe par le second filtre polarisant, dont l'axe est incliné par rapport au premier. La lumière qui a traversé le second filtre est polarisée dans la direction de l'axe du second filtre, et l'amplitude de E est réduite. Dans la figure c, où les axes du filtre sont perpendiculaires l'un à l'autre, aucune lumière ne traverse le second filtre. La figure c montre une photo de trois filtres optiques circulaires placés sur un motif aux couleurs vives. Deux de ces filtres sont placés l'un à côté de l'autre et le troisième est placé au-dessus des deux autres de telle sorte que le centre du troisième se trouve au point où les bords des deux filtres situés en dessous se touchent. De la lumière passe à travers l'endroit où le filtre supérieur chevauche le filtre inférieur gauche. Aucune lumière ne passe à travers l'endroit où le filtre supérieur chevauche le filtre inférieur droit. — Figure\(\PageIndex{5}\) : Effet de la rotation de deux filtres polarisants, le premier polarise la lumière. (a) Toute la lumière polarisée passe par le second filtre polarisant, car son axe est parallèle au premier. (b) Lorsque le second filtre tourne, seule une partie de la lumière passe. (c) Lorsque le second filtre est perpendiculaire au premier, aucune lumière ne passe. (d) Sur cette photographie, un filtre polarisant est placé au-dessus de deux autres. Son axe est perpendiculaire au filtre de droite (zone sombre) et parallèle au filtre de gauche (zone claire). (crédit d : modification de l'œuvre de P.P. Urone)

Seule la composante de l'onde EM parallèle à l'axe d'un filtre est passée. Appelons l'angle entre la direction de polarisation et l'axe d'un filtre θ. Si le champ électrique a une amplitude E, alors la partie transmise de l'onde a une amplitude\(E\cos θ \) (Figure\(\PageIndex{6}\)). L' intensité d'une onde étant proportionnelle à son amplitude au carré, l' intensité I de l'onde émise est liée à l'onde incidente par

\ [I=I_0 \ cos^2θ \ label { Loi de Malus} \ nonumber \]

où\(I_0\) est l'intensité de l'onde polarisée avant de traverser le filtre. Cette équation est connue sous le nom de loi de Malus.

Cette figure fournit des détails supplémentaires aux schémas des deux figures précédentes. Sur cette figure, un seul des vecteurs E de la lumière source à polarisation aléatoire est représenté à gauche du filtre polarisant orienté verticalement, ainsi que la composante de ce vecteur parallèle au filtre. Le vecteur E fait un angle thêta par rapport à la verticale. La composante verticale du vecteur E est E cosinus thêta. Après avoir traversé le filtre, la lumière n'a que la verticale E, avec une magnitude E cosinusoïdale thêta. — Figure\(\PageIndex{6}\) : Un filtre polarisant transmet uniquement la composante de l'onde parallèlement à son axe, réduisant ainsi l' intensité de toute lumière non polarisée parallèlement à son axe.

Cette animation Open Source Physics vous aide à visualiser les vecteurs du champ électrique lorsque la lumière rencontre un filtre polarisant. Vous pouvez faire pivoter le filtre. Notez que l'angle affiché est exprimé en radians. Vous pouvez également faire pivoter l'animation pour une visualisation 3D.

Exemple \(\PageIndex{1}\) : calcul de la réduction d'intensité par un filtre polarisant

Quel angle est nécessaire entre la direction de la lumière polarisée et l'axe d'un filtre polarisant pour réduire son intensité de 90,0 % ?

Stratégie

Lorsque l'intensité est réduite de 90,0 %, elle est de 10,0 % ou 0,100 fois sa valeur initiale. C'est-à-dire que I = 0,100 I ₀. À l'aide de ces informations, l'équation I=I ₀ cos ² θ peut être utilisée pour résoudre l'angle requis.

Solution

La résolution de la loi de Malus (équation \ ref {Loi de Malus})\(\cos θ\) et la substitution par la relation entre I et I ₀ donnent

\[\cos θ=\dfrac{I}{I_0}=\frac{0.100I_0}{I_0}=0.3162. \nonumber \]

Résoudre les problèmes\(θ\) liés

\[θ=\cos^{−1}0.3162=71.6°. \nonumber \]

L'importance

Un angle assez important entre la direction de polarisation et l'axe du filtre est nécessaire pour réduire l'intensité à 10,0 % de sa valeur initiale. Cela semble raisonnable si l'on se base sur des expériences avec des films polarisants. Il est intéressant de noter qu'à un angle de 45°, l' intensité est réduite à 50 % de sa valeur initiale. Notez que 71,6° correspond à 18,4° par rapport à la réduction de l'intensité à zéro, et qu'à un angle de 18,4°, l'intensité est réduite à 90,0 % de sa valeur initiale, ce qui indique une symétrie.

Exercice\(\PageIndex{1}\)

Bien que nous n'ayons pas précisé la direction dans l'exemple\(\PageIndex{1}\), supposons que le filtre polarisant ait été pivoté de 71,6° dans le sens des aiguilles d'une montre pour réduire l'intensité lumineuse de 90,0 %. Quelle serait la réduction d'intensité si le filtre polarisant était pivoté de 71,6° dans le sens antihoraire ?

Réponse: également 90,0 %

Polarisation par réflexion

À présent, vous pouvez probablement deviner que les lunettes de soleil polarisantes réduisent l'éblouissement de la lumière réfléchie, car cette lumière est polarisée. Vous pouvez vérifier cela par vous-même en tenant des lunettes de soleil polarisantes devant vous et en les faisant pivoter tout en regardant la lumière réfléchie par l'eau ou le verre. Lorsque vous faites pivoter les lunettes de soleil, vous remarquerez que la lumière devient claire et faible, mais pas complètement noire. Cela implique que la lumière réfléchie est partiellement polarisée et ne peut pas être complètement bloquée par un filtre polarisant.

La figure\(\PageIndex{7}\) illustre ce qui se passe lorsque la lumière non polarisée est réfléchie par une surface. La lumière polarisée verticalement est réfractée de préférence à la surface, de sorte que la lumière réfléchie reste plus polarisée horizontalement. Les raisons de ce phénomène dépassent le cadre de ce texte, mais un moyen mnémotechnique pratique pour s'en souvenir est d'imaginer la direction de polarisation comme une flèche. La polarisation verticale ressemble à une flèche perpendiculaire à la surface et est plus susceptible de coller et de ne pas être réfléchie. La polarisation horizontale ressemble à une flèche qui rebondit sur le côté et est plus susceptible d'être réfléchie. Les lunettes de soleil à axes verticaux bloquent ainsi plus de lumière réfléchie que la lumière non polarisée provenant d'autres sources.

La figure est un schéma qui montre un bloc de verre dans l'air. La surface réfléchissante est horizontale. Un rayon étiqueté lumière non polarisée commence en haut à gauche et atteint le centre du bloc, à un angle thêta un par rapport à la verticale. Deux flèches à double tête, l'une horizontale et l'autre verticale, sont centrées sur ce rayon incident. À partir du point où ce rayon atteint le bloc de verre, deux rayons émergent. L'un est le rayon réfléchi qui monte et se dirige vers la droite à un angle de thêta un par rapport à la verticale, et le second est un rayon réfracté qui descend et se dirige vers la droite à un angle de thêta deux par rapport à la verticale. La lumière réfléchie est étiquetée comme étant partiellement polarisée parallèlement à la surface. Deux flèches à double pointe, similaires à celles du rayon incident, sont représentées centrées sur le rayon réfléchi, mais la flèche verticale est nettement plus courte que la flèche horizontale. Le rayon réfracté est marqué comme étant partiellement polarisé perpendiculairement à la surface. Deux flèches à double pointe, similaires à celles du rayon incident, sont représentées centrées sur le rayon réfléchi, mais la flèche horizontale est nettement plus courte que la flèche verticale. Une note indique que lorsque le thêta est égal à l'angle de Brewster, l'angle entre le rayon réfléchi et le rayon réfracté est de quatre-vingt-dix degrés. — Figure\(\PageIndex{7}\) : Polarisation par réflexion. La lumière non polarisée possède des niveaux égaux de polarisation verticale et horizontale. Après interaction avec une surface, les composantes verticales sont de préférence absorbées ou réfractées, laissant la lumière réfléchie plus polarisée horizontalement. Cela ressemble à des flèches qui frappent sur leurs côtés et rebondissent, alors que les flèches qui frappent à leur bout remontent à la surface.

Comme la partie de la lumière qui n'est pas réfléchie est réfractée, le degré de polarisation dépend des indices de réfraction du milieu concerné. On peut montrer que la lumière réfléchie est complètement polarisée selon un angle de réflexion θ _b donné par

\[tan \, θ_b=\frac{n_2}{n_1} \nonumber \]

où n ₁ est le milieu dans lequel circulent la lumière incidente et réfléchie et n ₂ est l'indice de réfraction du milieu qui forme l'interface qui réfléchit la lumière. Cette équation est connue sous le nom de loi de Brewster et θ _b est connu sous le nom d'angle de Brewster, du nom du physicien écossais du XIXe siècle qui les a découvertes.

Cette animation Open Source Physics montre la lumière incidente, réfléchie et réfractée sous forme de rayons et d'ondes électromagnétiques. Essayez de faire pivoter l'animation pour la visualiser en 3D et modifiez également l'angle d'incidence. Près de l'angle de Brewster, la lumière réfléchie devient hautement polarisée.

Exemple \(\PageIndex{2}\) : calcul de la polarisation par réflexion

a) Sous quel angle la lumière circulant dans l'air sera-t-elle complètement polarisée horizontalement lorsqu'elle est réfléchie par l'eau ? (b) Du verre ?

Stratégie

Tout ce dont nous avons besoin pour résoudre ces problèmes, ce sont les indices de réfraction. L'air a n ₁ = 1,00, l'eau a n ₂ = 1,333 et la couronne de verre a n'₂ = 1,520. L' équation\(tan \, θ_b=\frac{n_2}{n_1}\) peut être directement appliquée pour trouver θ _b dans chaque cas.

Solution

a. Intégrer les quantités connues à l'équation

\[\tan \, θ_b=\frac{n_2}{n_1} \nonumber \]

donne

\[\tan \, θ_b=\frac{n_2}{n_1}=\frac{1.333}{1.00}=1.333. \nonumber \]

La résolution de l'angle θ _b donne

\[θ_b=tan^{−1}1.333=53.1°. \nonumber \]

b. De même, pour le verre couronné et l'air,

\[tan \, θ′_b=\frac{n′_2}{n_1}=\frac{1.520}{1.00}=1.52. \nonumber \]

Ainsi,

\[θ′_b=tan^{−1}1.52=56.7°. \nonumber \]

L'importance

La lumière réfléchie à ces angles pourrait être complètement bloquée par un bon filtre polarisant maintenu avec son axe vertical. L' angle de Brewster pour l'eau et l'air est similaire à celui du verre et de l'air, de sorte que les lunettes de soleil sont tout aussi efficaces pour la lumière réfléchie par l'eau ou par le verre dans des circonstances similaires. La lumière qui n'est pas réfléchie est réfractée dans ces milieux. Par conséquent, à un angle d' incidence égal à l'angle de Brewster, la lumière réfractée est légèrement polarisée verticalement. Elle n'est pas complètement polarisée verticalement, car seule une petite fraction de la lumière incidente est réfléchie, de sorte qu'une quantité importante de lumière polarisée horizontalement est réfractée.

Exercice\(\PageIndex{2}\)

Que se passe-t-il sous l'angle de Brewster si la lumière incidente d'origine est déjà polarisée verticalement à 100 % ?

Réponse: Il n'y aura que de la réfraction mais pas de réflexion.

Explication atomique des filtres polarisants

Les filtres polarisants ont un axe de polarisation qui agit comme une fente. Cette fente laisse passer des ondes électromagnétiques (souvent de la lumière visible) qui ont un champ électrique parallèle à l'axe. Ceci est accompli avec de longues molécules alignées perpendiculairement à l'axe, comme le montre la figure \(\PageIndex{8}\).

La figure montre une illustration d'un empilement de longues molécules horizontales identiques. Un axe vertical est tracé au-dessus des molécules. — Figure\(\PageIndex{8}\) : Les molécules longues sont alignées perpendiculairement à l'axe d'un filtre polarisant. Dans une onde EM, la composante du champ électrique perpendiculaire à ces molécules passe à travers le filtre, tandis que la composante parallèle aux molécules est absorbée.

La figure\(\PageIndex{9}\) montre comment la composante du champ électrique parallèle aux molécules longues est absorbée. Une onde EM est composée de champs électriques et magnétiques oscillants. Le champ électrique est puissant par rapport au champ magnétique et exerce une force plus efficace sur les charges des molécules. Les particules chargées les plus touchées sont les électrons, car les masses d'électrons sont faibles. Si un électron est forcé d'osciller, il peut absorber l'énergie de l'onde EM. Cela réduit le champ de la vague et, par conséquent, son intensité. Dans les molécules longues, les électrons peuvent plus facilement osciller parallèlement à la molécule que dans la direction perpendiculaire. Les électrons sont liés à la molécule et leur mouvement perpendiculaire à la molécule est plus restreint. Ainsi, les électrons peuvent absorber les ondes électromagnétiques dont une composante de leur champ électrique est parallèle à la molécule. Les électrons réagissent beaucoup moins aux champs électriques perpendiculaires à la molécule et laissent passer ces champs. Ainsi, l'axe du filtre polarisant est perpendiculaire à la longueur de la molécule.

La figure a montre le dessin d'une longue molécule. Une onde électromagnétique traverse la molécule. La direction de propagation des ondes est perpendiculaire à l'axe moléculaire et les oscillations de l'onde sont parallèles à l'axe moléculaire. Les électrons oscillent parallèlement à la longueur de la molécule. Après le passage de la longue molécule, l'amplitude des oscillations de l'onde est significativement réduite. La figure b montre un dessin similaire, sauf que l'onde oscille perpendiculairement à l'axe de la longue molécule. Les électrons oscillent faiblement perpendiculairement à la longueur de la molécule. Après le passage de la longue molécule, l'amplitude de l'oscillation de l'onde EM reste inchangée. — Figure\(\PageIndex{9}\) : Schéma d'un électron dans une longue molécule oscillant parallèlement à la molécule. L'oscillation de l'électron absorbe de l'énergie et réduit l'intensité de la composante de l'onde EM qui est parallèle à la molécule.

Polarisation par diffusion

Si vous tenez vos lunettes de soleil polarisantes devant vous et que vous les faites pivoter tout en regardant le ciel bleu, vous verrez le ciel s' éclaircir et s'assombrir. Cela indique clairement que la lumière diffusée par l'air est partiellement polarisée. La figure\(\PageIndex{10}\) permet d'illustrer comment cela se produit. Comme la lumière est une onde électromagnétique transversale, elle fait vibrer les électrons des molécules d'air perpendiculairement à la direction dans laquelle elles se déplacent. Les électrons rayonnent alors comme de petites antennes. Comme ils oscillent perpendiculairement à la direction du rayon lumineux, ils produisent un rayonnement EM polarisé perpendiculairement à la direction du rayon. Lorsque l'on regarde la lumière le long d'une ligne perpendiculaire au rayon d'origine, comme sur la figure, il ne peut y avoir de polarisation de la lumière diffusée parallèlement au rayon d'origine, car cela nécessiterait que le rayon d'origine soit une onde longitudinale. Dans d'autres directions, une composante de l'autre polarisation peut être projetée le long de la ligne de visée, et la lumière diffusée n'est que partiellement polarisée. De plus, la diffusion multiple peut apporter de la lumière à vos yeux depuis d'autres directions et peut contenir différentes polarisations.

La figure illustre la diffusion de lumière non polarisée par une molécule. Comme d'habitude, les rayons sont représentés par des flèches bleues droites et les directions du champ électrique par des flèches rouges à deux pointes. La lumière incidente non polarisée possède des vecteurs de champ électrique oscillant dans toutes les directions dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation des rayons lumineux. La molécule diffuse la lumière dans toutes les directions. La lumière diffusée dans la même direction que la lumière incidente reste non polarisée. La lumière diffusée dans la direction perpendiculaire à la direction de la lumière incidente est polarisée perpendiculairement au plan défini par les rayons incidents et diffusés. La lumière diffusée dans une direction intermédiaire est partiellement polarisée. Le champ électrique perpendiculaire au plan a une amplitude plus grande que le champ parallèle au rayon incident. — Figure\(\PageIndex{10}\) : Polarisation par diffusion. La lumière non polarisée diffusée par les molécules d'air secoue leurs électrons perpendiculairement à la direction du rayon d'origine. La lumière diffusée a donc une polarisation perpendiculaire à la direction d'origine et aucune polarisation parallèle à la direction d'origine.

Les photos du ciel peuvent être assombries par des filtres polarisants, une astuce utilisée par de nombreux photographes pour rendre les nuages plus lumineux par contraste. La diffusion d'autres particules, telles que la fumée ou la poussière, peut également polariser la lumière. La détection de la polarisation dans les ondes électromagnétiques diffusées peut être un outil analytique utile pour déterminer la source de diffusion.

Une gamme d'effets optiques est utilisée dans les lunettes de soleil. En plus d'être polarisantes, les lunettes de soleil peuvent contenir des pigments colorés, tandis que d'autres utilisent un revêtement non réfléchissant ou réfléchissant. Les verres photochromiques, qui s'assombrissent à la lumière du soleil et deviennent clairs à l'intérieur, constituent un développement récent. Les lentilles photochromiques sont imprégnées de molécules microcristallines organiques qui changent de propriétés lorsqu'elles sont exposées aux UV du soleil, mais deviennent claires sous un éclairage artificiel sans UV.

Cristaux liquides et autres effets de polarisation sur les matériaux

Bien que vous connaissiez sans aucun doute les écrans à cristaux liquides (LCD) que l'on trouve dans les montres, les calculatrices, les écrans d'ordinateurs, les téléphones portables, les téléviseurs à écran plat et bien d'autres endroits, vous ne savez peut-être pas qu'ils sont basés sur la polarisation. Les cristaux liquides sont ainsi nommés parce que leurs molécules peuvent être alignées même s'ils se trouvent dans un liquide. Les cristaux liquides ont la propriété de pouvoir faire pivoter la polarisation de la lumière qui les traverse de 90°. De plus, cette propriété peut être désactivée par l'application d'une tension, comme illustré sur la figure\(\PageIndex{11}\). Il est possible de manipuler cette caractéristique rapidement et dans de petites zones bien définies pour créer les motifs de contraste que l'on retrouve sur de nombreux appareils LCD.

Sur les téléviseurs LCD à écran plat, une grande lumière est générée à l'arrière du téléviseur. La lumière se déplace vers l'écran avant à travers des millions de minuscules unités appelées pixels (éléments d'image). L'un d' entre eux est illustré sur la figure\(\PageIndex{11}\). Chaque unité comporte trois cellules, avec des filtres rouge, bleu ou vert, chacun étant contrôlé indépendamment. Lorsque la tension aux bornes d'un cristal liquide est coupée, le cristal liquide fait passer la lumière à travers le filtre concerné. Nous pouvons faire varier le contraste de l'image en faisant varier l'intensité de la tension appliquée au cristal liquide.

La figure a est une illustration d'un rayon de lumière initialement non polarisée traversant un polariseur vertical, puis un élément étiqueté L C D sans tension, rotation de 90 degrés, et enfin un polariseur horizontal. La lumière initialement non polarisée devient polarisée verticalement après le polariseur vertical, puis est tournée de 90 degrés par l'élément L C D de manière à être polarisée horizontalement, puis elle passe à travers le polariseur horizontal. La figure b est la même, sauf que l'élément L C D est étiqueté tension activée, pas de rotation. La lumière sortant de l'élément L C D est ainsi polarisée verticalement et ne traverse pas le polariseur horizontal, ce qui rend la région à cet endroit sombre. Enfin, la figure c montre une photographie d'un ordinateur portable ouvert de sorte que vous pouvez voir son écran, qui est allumé et dont certaines icônes et fenêtres sont visibles. — Figure\(\PageIndex{11}\) : (a) La lumière polarisée est tournée de 90° par un cristal liquide, puis passée par un filtre polarisant dont l'axe est perpendiculaire à la direction de la polarisation d'origine. (b) Lorsqu'une tension est appliquée aux cristaux liquides, la lumière polarisée n'est pas tournée et est bloquée par le filtre, ce qui rend la région plus sombre par rapport à son environnement. (c) Les écrans LCD peuvent être fabriqués avec des couleurs spécifiques, de petite taille et suffisamment rapides pour être utilisés sur les ordinateurs portables et les téléviseurs.

De nombreux cristaux et solutions font pivoter le plan de polarisation de la lumière qui les traverse. Ces substances sont dites optiquement actives. Les exemples incluent l'eau sucrée, l'insuline et le collagène (Figure\(\PageIndex{11}\)). En plus de dépendre du type de substance, la quantité et le sens de rotation dépendent de plusieurs autres facteurs. Parmi celles-ci figurent la concentration de la substance, la distance parcourue par la lumière et la longueur d'onde de la lumière. L'activité optique est due à la forme asymétrique des molécules de la substance, par exemple leur forme hélicoïdale. Les mesures de la rotation de la lumière polarisée traversant des substances peuvent ainsi être utilisées pour mesurer les concentrations, une technique standard pour les sucres. Il peut également fournir des informations sur la forme des molécules, telles que les protéines, et sur les facteurs qui influent sur leur forme, tels que la température et le pH.

La figure montre un rayon de lumière initialement non polarisé qui traverse trois éléments optiques. Le premier est un filtre polarisant vertical, de sorte que le champ électrique est vertical une fois que le rayon l'a traversé. Vient ensuite un bloc étiqueté substance optiquement active. Le champ électrique sort du bloc entraîné en rotation d'un angle thêta par rapport à la verticale. Enfin, le rayon passe à travers un autre polariseur vertical qui est étiqueté analyseur. Le champ électrique final est à nouveau polarisé verticalement. — Chiffre\(\PageIndex{11}\). L'activité optique est la capacité de certaines substances à faire pivoter le plan de polarisation de la lumière qui les traverse. La rotation est détectée à l'aide d'un filtre polarisant ou d'un analyseur.

Le verre et le plastique deviennent optiquement actifs lorsqu'ils sont sollicités : plus la contrainte est importante, plus l'effet est important. L'analyse optique des contraintes sur des formes complexes peut être réalisée en créant des modèles plastiques de celles-ci et en les observant à travers des filtres croisés, comme le montre la figure \(\PageIndex{12}\). Il est évident que l'effet dépend de la longueur d'onde ainsi que de la contrainte. La dépendance à la longueur d'onde est parfois également utilisée à des fins artistiques.

La figure montre la photographie d'un objectif en plastique pressé par une pince. Des motifs arc-en-ciel apparaissent, montrant la déformation de la lentille. Les zones colorées sont délimitées par des courbes sombres reliant les centres des bords de la lentille. — Figure\(\PageIndex{13}\) : Analyse des contraintes optiques d'une lentille en plastique placée entre des polariseurs croisés. (crédit : « Infopro » /Wikimedia Commons)

Un autre phénomène intéressant associé à la lumière polarisée est la capacité de certains cristaux à diviser un faisceau de lumière non polarisé en deux faisceaux polarisés. Cela se produit parce que le cristal a une valeur pour l'indice de réfraction de la lumière polarisée mais une valeur différente pour l'indice de réfraction de la lumière polarisée dans la direction perpendiculaire, de sorte que chaque composant possède son propre angle de réfraction. Ces cristaux sont dits biréfringents et, s'ils sont correctement alignés, deux faisceaux polarisés perpendiculairement émergeront du cristal (Figure\(\PageIndex{14}\)). Des cristaux biréfringents peuvent être utilisés pour produire des faisceaux polarisés à partir de lumière non polarisée. Certains matériaux biréfringents absorbent de préférence l'une des polarisations. Ces matériaux sont dits dichroïques et peuvent produire une polarisation par cette absorption préférentielle. C'est fondamentalement ainsi que fonctionnent les filtres polarisants et autres polariseurs.

La figure montre un rayon de lumière horizontal non polarisé incident sur un cristal biréfringent marqué par blocs. Le rayon est perpendiculaire à la face du cristal où il y pénètre. Le rayon incident se divise en deux rayons lorsqu'il entre dans le cristal. Une partie du rayon continue tout droit. Ce rayon est polarisé horizontalement. L'autre partie du rayon se propage à un. Ce rayon est polarisé verticalement. Le second rayon se réfracte lorsqu'il quitte le cristal de telle sorte que les deux rayons sont parallèles à l'extérieur du cristal. Les rayons sont marqués sous la forme de deux faisceaux polarisés perpendiculairement. — Figure\(\PageIndex{14}\) : Les matériaux biréfringents, tels que la calcite minérale courante, divisent les faisceaux de lumière non polarisés en deux avec deux valeurs d'indice de réfraction différentes.