Polarisation (optique)

Lumière

La lumière réfléchie par les matériaux transparents brillants est partiellement ou totalement polarisée, sauf lorsque la lumière est perpendiculaire à la surface. La polarisation a été découverte pour la première fois en 1808 par le mathématicien Etienne Louis Malus. Un filtre polarisant, tel qu'une paire de lunettes de soleil polarisantes, peut être utilisé pour observer cet effet en faisant tourner le filtre tout en regardant à travers lui la réflexion sur une surface horizontale éloignée. À certains angles de rotation, la lumière réfléchie sera réduite ou éliminée. Les filtres polarisants éliminent la lumière polarisée à 90° par rapport à l'axe de polarisation du filtre. Si deux polariseurs sont placés l'un au-dessus de l'autre à un angle de 90° l'un par rapport à l'autre, très peu de lumière peut passer à travers les deux.

La polarisation par diffusion est observée lorsque la lumière traverse l'atmosphère. La lumière diffusée produit la luminosité et la couleur dans un ciel clair. Cette polarisation partielle de la lumière diffusée peut être utilisée pour assombrir le ciel sur les photographies, augmentant ainsi le contraste. Cet effet est plus facile à observer au coucher du soleil, sur l'horizon à un angle de 90° par rapport au soleil couchant. Un autre effet facilement observable est la réduction drastique de la luminosité des images du ciel et des nuages réfléchis par les surfaces horizontales. C'est pourquoi les filtres polarisants sont souvent utilisés dans les lunettes de soleil. Les lunettes de soleil polarisantes présentent également des motifs de type arc-en-ciel causés par des effets de biréfringence dépendant de la couleur, par exemple dans le verre trempé (par exemple, les vitres de voiture) ou les articles en plastique transparent. Le rôle joué par la polarisation dans le fonctionnement des écrans à cristaux liquides (LCD) est également souvent visible pour le porteur de lunettes de soleil polarisantes, ce qui peut réduire le contraste ou même rendre l'affichage illisible.

Filtre de polarisation

La polarisation de la lumière est utile, après qu'elle ait été filtrée. Un filtre séparera la lumière avec un type de polarisation des autres types. La plupart de la lumière du jour, ou de la lumière provenant d'une ampoule, a un mélange de polarisations (les lasers sont une exception). Le filtre fonctionne un peu comme si l'on essayait de passer une carte à jouer au peigne - ce n'est que si l'on tourne la carte dans le bon sens qu'elle s'adapte. La lumière qui est tournée dans une autre direction sera bloquée par le filtre. Les écrans à cristaux liquides (LCD) s'en servent pour bloquer la lumière afin de faire apparaître des lettres ou des chiffres sur un écran. Les lunettes qui ont des filtres de polarisation différents pour chaque œil peuvent séparer la lumière destinée à l'œil gauche et à l'œil droit. C'est une façon courante de faire des films et de la télévision en 3D.

Dans la nature, la lumière qui rebondit sur une surface a parfois la même polarisation - c'est ce qu'on appelle l'éblouissement d'une fenêtre ou de l'eau. Un filtre de polarisation sur un appareil photo éliminera cet éblouissement pour aider à voir à travers la fenêtre ou l'eau (ou peut augmenter l'éblouissement, selon la façon dont il est tourné).

La photo de droite a été prise avec des lunettes de soleil polarisantes et à travers la vitre arrière d'une voiture. La lumière du ciel est reflétée par le pare-brise de l'autre voiture sous un angle, ce qui la rend principalement polarisée horizontalement. La lunette arrière est en verre trempé. Le stress causé par le traitement thermique du verre modifie la polarisation de la lumière qui le traverse, comme une plaque d'onde. Sans cet effet, les lunettes de soleil bloqueraient la lumière polarisée horizontalement réfléchie par la vitre de l'autre voiture. La contrainte exercée sur la vitre arrière, cependant, transforme une partie de la lumière polarisée horizontalement en lumière polarisée verticalement qui peut passer à travers les verres. Par conséquent, le motif régulier du traitement thermique devient visible.

Effet d'un polariseur sur la réflexion des bancs de boue. Sur l'image de gauche, le polariseur est tourné pour transmettre les réflexions le mieux possible ; en tournant le polariseur de 90° (image de droite), presque toute la lumière solaire réfléchie de manière spéculaire est bloquée.


Les effets d'un filtre polarisant sur le ciel dans une photographie. La photo de droite utilise le filtre.


Les lunettes de soleil polarisantes révèlent le stress dans la vitre de la voiture (voir le texte pour l'explication).

Électromagnétique

D'autres ondes électromagnétiques ont également une polarisation, mais cela peut se produire de différentes manières.

Polarisation générale : Certaines ondes peuvent être décrites en ayant le champ électrique perpendiculaire à la direction de l'onde, et ce sont les ondes TE (électriques transversales). D'autres ont un champ magnétique perpendiculaire à la direction de l'onde, ce sont les ondes TM (magnétiques transversales). Ce sont les types de polarisation d'ondes les plus généraux. Elles peuvent également être appelées ondes polarisées verticalement ou horizontalement. Si le champ électrique et le champ magnétique sont tous deux perpendiculaires à la direction de l'onde, l'onde est appelée TEM (transverse électromagnétique). Les polarisations linéaires, circulaires et elliptiques sont des cas spécifiques de la polarisation TEM.

Les polarisations linéaire, circulaire et elliptique sont trois types spécifiques de polarisation TEM. Elles ne peuvent pas être mesurées à proximité d'une antenne. Loin d'une antenne, les champs sont TEM, donc ils peuvent être utilisés. Ils sont faciles à imaginer si vous regardez l'onde directement.

Polarisation linéaire

En regardant dans la direction de l'onde, le champ électrique est une simple ligne droite. Si la direction du champ électrique reste constante, même si on laisse la taille ou l'amplitude changer, l'état de polarisation est dit linéaire. Cela est dû au fait que la pointe du vecteur de champ électrique trace une ligne droite dans le plan perpendiculaire à la direction de l'onde. (C'est comme si on secouait une corde à sauter de haut en bas, en regardant la corde d'un bout. La corde en mouvement prendra la forme d'une ligne).

Polarisation circulaire

En regardant dans la direction de l'onde, le champ électrique trace la forme d'un cercle. Si l'amplitude du champ électrique reste constante et que l'on laisse la direction varier, l'état de polarisation est dit circulaire, car la pointe du champ électrique trace un cercle dans le plan perpendiculaire à la direction de l'onde. Ce cercle peut notamment être tracé dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse (lorsque l'onde s'éloigne). (C'est un peu comme si l'on balançait une corde à sauter pour sauter, cela donne une forme de cercle).

Polarisation elliptique

C'est comme la polarisation circulaire, mais la magnitude change lorsqu'elle tourne, formant une ellipse.