Historique de Marseille
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le 17/08/17
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L’actualité du LAM | Le cours à l’Observatoire Historique de Marseille |
| Mis à jour le 17/08/17 |
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| Polarisation | |||||||
Lorsqu’on parle de la lumière, on dit que c’est une onde électromagnétique, sans plus de détails. Cette onde est en fait produite par des variations du champ électrique (produites par des charges en mouvements), et des variations du champ magnétique (produites par des mouvements d’aimants par exemple). Les deux champs sont parfaitement liés (c’est pourquoi on parle de champ électromagnétique). Les ondes produites par chacun de ces champs sont rigoureusement de même fréquence, et en phase. L’onde électrique et l’onde magnétique sont donc identiques, mais elles vibrent dans deux plans perpendiculaires.
En général, pour étudier les champs électromagnétiques, on ne note que le champ électrique, puisque le champ magnétique s’en déduit directement par une simple rotation autour de l’axe de propagation.
La polarisation concerne le plan dans lequel oscille le champ électrique (et le plan dans lequel oscille le champ magnétique, mais que nous ne considérerons pas.
Une onde électromagnétique peut être produite dans un plan vertical :
…ou bien dans un plan horizontal :
…mais elle peut osciller, bien sûr, dans n’importe quel plan. La lumière naturelle est constituée de myriades d’ondes superposées, ayant chacune son plan particulier. Notre œil n’est pas capable de les distinguer.
La polarisation linéaire est la sélection, parmi tous les plans possibles, d’un plan particulier. Les ondes se propageant dans des plans différents sont affaiblies, sinon supprimées. Cette polarisation peut être due à la production de la lumière, ou à son interaction avec le milieu qu’elle traverse.
Un filtre polarisant est un filtre qui polarise la lumière le traversant. C’est-à-dire qu’il est opaque aux ondes ne vibrant pas dans son plan. Par conséquent, une partie seulement de la lumière incidente le traverse : celle dont le plan de vibration correspond à celui sélectionné par le filtre. Le verre dont il est constitué est un milieu polarisant.
Premier exemple : le bleu du ciel. La lumière du soleil, comprenant toutes les couleurs, est diffusée par les molécules d’air, le bleu 16 fois plus que le rouge. C’est ce qui explique que les rayons bleus, éparpillés, illuminent tout le ciel de cette couleur, alors que le rouge, très peu diffusé, nous arrive directement et colore le soleil. Mais en plus, la diffusion produit une certaine polarisation de la lumière du ciel bleu. On peut s’en aperçevoir en utilisant un filtre polarisant. Si on regarde le ciel bleu dans une direction proche du soleil, on peut tourner le filtre sans affecter la lumière qui le traverse. Mais si on regarde à 90° du soleil, on note un assombrissement important. Il est produit par l’élimination d’une partie de la lumière diffusée, parce qu’elle est polarisée. Lorsque le plan du filtre est perpendiculaire à la polarisation du ciel, une partie de la lumière est éliminée.
La réflection vitreuse produit une polarisation. A l’interface air-verre, la plus grande partie de la lumière traverse le verre (qui est transparent). Mais une fraction est réfléchie. C’est cette lumière, polarisée, qui produit les reflets génants. L’utilisation d’un filtre polarisant permet de réduire considérablement ces reflets pour la photographie. Le même phénomène se produit à la surface de l’eau. Le filtre polarisant agissant par suppression de lumière, l’image est forcément moins lumineuse, et il faut en tenir compte en photographie.
La réfringence est la capacité d’une substance de dévier la lumière. C’est ce qui se produit lorsqu’un rayon lumineux passe de l’air dans l’eau. On a l’habitude de voir ce phénomène, et on ne s’en étonne pas. Mais certains minéraux, comme la calcite transparente (spath d’Islande), forment de beaux cristaux rhomboédriques ayant une propriété curieuse : le rayon lumineux qui y pénétre se dédouble, et il en ressort deux ayant des directions différentes ! C’est la double réfraction, propritété des cristaux biréfringents. La double réfraction est le résultat de la biréfringence, propriété du cristal lui-même.
Les matériaux habituels ont un indice de réfraction, qui détermine l’angle de déviation de la lumière. La lumière est déviée parce que sa vitesse de propagation dans le milieu est différente. Les matériaux biréfringents ont en fait deux indices de réfraction différents. Le premier est valable dans une certaine direction (par rappport au cristal), le second dans la direction perpendiculaire. Dans ces milieux, la vitesse de la lumière dépend de son plan de polarisation.
La lumière polarisée a des usages, dont le cinéma 3D est un bel exemple. Le spectateur porte des lunettes, dont le verre droit est un filtre polarisant vertical, et le gauche un filtre horizontal (en fait, ils sont orientés plutôt selon les diagonales). Une image sur deux est polarisée horizontalement, et n’affecte que l’œil gauche, la suivante verticalement et n’affecte que l’œil droit. Chaque œil voit donc une image différente. En alternant ce cycle, on obtient bien un film en relief.
Le microscope polarisant est muni de deux filtres polarisants : le premier est placé devant la source de lumière, le second après l’objet à observer. L’objet est un échantillon de roche en lame mince. S’il contient des cristaux biréfringents, ceux-ci se colorent différement selon la polarisation. Ainsi, un simple examen visuel permet de déterminer la composition minéralogique de l’échantillon.
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