Polarisation de la lumière

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Introduction

Cette page explique ce qu'est une lumière polarisée.


La lumière est une onde électromagnétique

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. Ces deux champs ont une direction (ce sont des vecteurs) et le champ magnétique est perpendiculaire au champ électrique. Les ondes les plus simples qui décrivent la lumière sont les ondes polarisées linéairement, et on va donc commencer par celles-ci. Pour faire simple, cette page ne considère que des ondes monochromatiques, c'est-à-dire caractérisées par une seule longueur d'onde.


Polarisation linéaire

Une onde polarisée linéairement ressemble à la figure ci-dessous.

  • 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).

Onde lumineuse polarisée linéairement
Onde lumineuse polarisée linéairement. L'onde est décrite par des champs électrique et magnétique qui oscillent. L'onde est polarisée verticalement car le champ électrique est toujours vertical.

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):

Onde polarisée circulairement
Onde polarisée circulairement. 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.


La lumière du soleil ou d'une lampe n'est pas polarisée

Dans la vie courante la plupart des lumières sont un mélange d'ondes de polarisations variées. Une lampe à incandescence va générer plein de petites ondes, chacune ayant une direction de polarisation aléatoire. En moyenne, on observe donc une lumière non polarisée car l'onde n'est pas caractérisée par une direction particulière du champ électrique.


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:

Effet d'un filtre polariseur sur une lumière non polarisée
Effet d'un filtre polariseur sur une lumière non polarisée. Le faisceau de départ (à gauche) est fait de plein d'ondes polarisées dans toutes les directions (flèches bleues). Pour simplifier le schéma, les flèches ne représentent plus ici la sinusoïde décrite par le champ électrique, mais seulement sa direction. À droite, le faisceau après le filtre ne contient que la polarisation verticale. En tournant le filtre, cette direction change.

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:

Effet d'un filtre polariseur sur une lumière polarisée
Effet d'un filtre polariseur sur une lumière polarisée linéairement. Le filtre polariseur génère toujours une polarisation linéaire déterminée par son orientation. Quand la lumière incidente et le filtre sont orthogonaux, aucune lumière ne traverse le filtre.

Applications de la polarisation

Cinéma en 3D

La plupart des lunettes utilisées pour la visualisation de films en trois dimensions utilisent des filtres polariseurs. Dans les versions anciennes, les deux verres étaient des polariseurs linéaires croisés (orientés à 90 degrés). Ainsi, il est possible, en projetant sur l'écran deux images, l'une polarisée à (par exemple) 45°, et l'autre à -45°, de cacher la deuxième image à l'œil gauche (avec un polariseur à 45°) et de cacher la première image à l'œil droit (avec un polariseur à -45°). Comme la vision en 3D repose sur la perception de deux images différentes sur chaque œil, cette méthode permet d'observer une scène en 3D.

Les formats plus récents de films 3D utilisent des images projetées avec des polarisations circulaires, ce qui permet de ne pas afficher une partie de l'image de droite sur l'œil gauche et inversement, même lorsque l'on incline la tête.

Lunettes de vision 3D
Lunettes de vision 3D

Suppression de reflets

La réflexion sur une surface telle que l'eau produit une lumière partiellement polarisée (voire totalement polarisée dans un cas très particulier). Ces réflexions sont parfois indésirables en photographie. Pour les atténuer, il est possible de placer un filtre polariseur orienté correctement devant l'objectif.

De la même façon, des lunettes polarisées permettent d'atténuer les reflets sur la mer. Celles-ci sont très utiles aux marins.