Comment peut-on bloquer les réflexions de la lumière sur la surface de l eau pour mieux voir ce qu il y a sur le fond de la mer?

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1 Comment peut-on bloquer les réflexions de la lumière sur la surface de l eau pour mieux voir ce qu il y a sur le fond de la mer? Découvrez la réponse à cette question dans ce chapitre.

2 En 1669, le savant Danois Rasmus Bartholin découvre un phénomène étrange : quand on place un cristal de calcite sur du texte, on voit le texte en double! faculty.kutztown.edu/friehauf/beer/ (oui, oui, c est le bon site) Les deux images du texte ont exactement la même intensité. On appelle ce phénomène la double réfraction ou biréfringence, car la séparation de l image en deux vient du fait que la réfraction de chaque image est différente quand elles passent dans la calcite. Newton mentionna que la lumière semble avoir deux aspects différents, un peu comme les deux pôles d un aimant, ce qui amena le terme polarisation à cette propriété de la lumière. Une glorieuse victoire pour la théorie ondulatoire Un atout pour la théorie corpusculaire Au départ, la théorie corpusculaire avait alors beaucoup plus de succès pour expliquer la polarisation. En jouant avec la forme des particules de lumière, on avait fait une théorie expliquant comment on pouvait avoir deux réfractions différentes dans la calcite selon l orientation de la particule de lumière quand elle entre dans la substance. Ce n était pas parfait, mais c était beaucoup mieux que ce que pouvait faire l autre camp. En effet, les Version 2016b 9-La polarisation 2

3 partisans de la théorie ondulatoire ne parvenaient pas du tout à expliquer ce phénomène. C était d ailleurs ce qui gardait la théorie corpusculaire en vie après les succès de la théorie ondulatoire avec l expérience de Young (interférence) et les travaux de Fresnel sur la diffraction. Les partisans de la théorie corpusculaire pouvaient toujours répliquer que seule la théorie corpusculaire fournissait une explication à la polarisation. De nouvelles observations En 1808, Étienne-Louis Malus découvrit qu il y a quelque chose de spécial avec la biréfringence. On avait toujours cru que les deux images issues de la double réfraction de la calcite avaient la même intensité. Malus découvrit que ce n est pas vrai pour la lumière qui a fait une réflexion sur une surface avant de passer à travers la calcite. En observant la réflexion de la lumière sur les fenêtres du palais du Luxembourg à Paris à travers un cristal de calcite (ne me demandez pas comment il en est arrivé à faire ça!), il remarqua que les deux images n ont pas la même intensité. On peut également changer l intensité des deux images l une par rapport à l autre en tournant le cristal et on peut même faire disparaître une des deux images dans des conditions particulières. Cette découverte relança l étude de la polarisation, ce qui permit à des nouvelles idées d être explorées. Et si la lumière était une onde transversale? En 1816, André-Marie Ampère sort finalement la théorie ondulatoire de l impasse en affirmant qu on pouvait expliquer la polarisation si on supposait que lumière était une onde transversale. C était un peu bizarre de proposer cela à l époque. On croyait que la lumière était une onde matérielle, donc que le passage de la lumière faisait vibrer un milieu matériel qu on appelait l éther (qui n a rien à voir avec le groupement fonctionnel éther en chimie). Cette substance devait être présente partout dans l univers, car la lumière peut se propager partout dans l univers. Si on reçoit de la lumière de la galaxie d Andromède, c est qu il devait y avoir de l éther partout entre nous et la galaxie d Andromède. En même temps, cet éther ne devait faire aucune friction puisque la Terre devait être en mesure de tourner autour du Soleil sans perdre de vitesse à cause de la friction. Si l éther avait fait seulement un peu de friction, la Terre aurait lentement perdu de l énergie et aurait fini sa course dans le Soleil. Cette propriété laissait donc penser que l éther était un fluide et que la lumière devait être une onde longitudinale, car les ondes transversales sont impossibles dans un fluide. En proposant que la lumière soit une onde transversale, Ampère proposait aussi que l éther devait être rigide. Restait à savoir comment un éther rigide pouvait laisser passer les objets sans exercer la moindre force de friction C est Augustin Fresnel qui développa cette idée d onde transversale en Il obtint alors des résultats en accord parfait avec les observations. Le dernier bastion de la théorie corpusculaire venait de tomber, ce qui signifiait la mort de celle-ci et le triomphe de la théorie ondulatoire. Après 1822, on ne trouve plus aucun partisan d importance de la théorie corpusculaire (jusqu à son retour en 1905 à voir dans un autre chapitre plus loin). Version 2016b 9-La polarisation 3

4 Toutefois, un certain malaise subsista cependant tout au long du 19 e siècle : comment l éther pouvait-il n offrir aucune résistance tout en étant rigide? Une onde électromagnétique transversale En 1879, James Clerk Maxwell complète les équations de bases de l électromagnétisme. Avec ces équations, il confirme que la lumière est une onde électromagnétique et qu elle est effectivement une onde transversale. Pendant environ 25 ans, on tente toujours d agencer cette idée avec le concept d éther avec des complications parfois assez spectaculaires. Toutefois, toutes ces études ne servirent à rien puisque Einstein montra en 1905 que la lumière ne peut être une onde mécanique et que l éther n existe tout simplement pas. En fait, la lumière n a pas besoin de milieu matériel pour se propager. La lumière est une onde de champs électrique et magnétique, qui ne sont pas des objets matériels. Sur la figure, le champ électrique est représenté par les flèches rouges et le champ magnétique par les flèches bleues. Voici une animation du mouvement de cette onde. Ce n est pas une onde mécanique puisque le passage de l onde n entraine pas d oscillations d un milieu. On dit que c est une onde transversale parce que la direction des champs est toujours perpendiculaire à la direction de propagation de l onde. Bien que ces deux champs soient toujours présents et perpendiculaires l un à l autre, nous ne parlerons, dans les sections qui suivent, que du champ électrique de l onde pour simplifier. Version 2016b 9-La polarisation 4

5 La direction d oscillation du champ électrique Avec une onde transversale, nous avons quelque chose qui est impossible avec l onde longitudinale : il y a plusieurs directions possibles pour le champ électrique. Quand on change la direction d oscillation, on change la polarisation de la lumière. On peut voir sur l image suivante différentes directions possibles pour la direction du champ électrique. Dans tous les cas, l oscillation est perpendiculaire à la direction de propagation de l onde, ce qu on doit avoir pour l onde transversale. Comment cela explique-t-il les différentes observations comme la biréfringence? C est que la lumière n interagit pas de la même façon avec la matière selon la direction de l oscillation de l onde. Par exemple, dans certaines substances, l onde qui oscille horizontalement (on dit qu elle est polarisée horizontalement) n ira pas à la même vitesse que l onde qui oscille verticalement (on dit qu elle est polarisée verticalement) parce que l interaction avec la matière est différente. Si la vitesse est différente, alors l indice de réfraction est différent et les deux polarisations auront des réfractions à des angles différents. Séparation en deux composantes principales Il y a cependant une infinité de directions d oscillation possibles. Doit-on toute les considérer pour examiner toutes les possibilités? Bien sûr que non. On peut travailler avec deux directions de polarisation principales (par exemple horizontale et verticale) et séparer toutes les autres en composantes. Par exemple, une polarisation à 45 peut être décomposée Version 2016b 9-La polarisation 5

6 en une moitié de polarisation horizontale et une moitié de polarisation verticale. On ne doit donc que connaître comment vont agir les polarisations selon nos axes choisis, les autres étant une combinaison de ces deux polarisations. On peut assez facilement séparer l onde en ses deux composantes selon les axes choisis. Les composantes sont E E E cos E sin 0x 0 0y 0 où E 0 est l amplitude de l onde, E 0x est l amplitude de la composante en x, E 0y est l amplitude de la composante en y et est l angle entre la direction de la polarisation et l axe des x. Notez qu on pourrait tourner ces axes selon les conditions. On doit cependant toujours avoir des axes perpendiculaires l un à l autre. Lumière polarisée et non polarisée On dit que la lumière est polarisée si l oscillation de la lumière se fait dans une seule direction. Généralement, la lumière est composée de plusieurs ondes superposées et dans la lumière polarisée, toutes ces ondes ont la même direction d oscillation. Dans la lumière non polarisée, les différentes ondes qui se superposent dans un faisceau lumineux ont différentes direction d oscillation. C est en fait une superposition de toutes les directions d oscillation possibles avec une quantité égale pour chaque direction. Dans la très grande majorité des cas, les sources lumineuses que vous connaissez émettent de la lumière non polarisée. Par exemple, la lumière du Soleil et la lumière émise par des ampoules ne sont pas polarisées. Dans la lumière partiellement polarisée, toutes les directions d oscillations sont présentes, mais il y a une des polarisations qui est plus intense que les autres. Polarisation des ondes radio et micro-ondes Toutes les ondes électromagnétiques peuvent être polarisées. Les ondes servant aux télécommunications sont très souvent polarisées et si on veut les capter avec une antenne en forme de tige, on doit orienter l antenne dans le sens de la polarisation pour obtenir une bonne réception. Version 2016b 9-La polarisation 6

7 Avec la bonne orientation, le champ électrique oscille dans le même sens que l antenne. Le champ électrique pourra alors déplacer les charges dans la direction de l antenne et faire un courant dans l antenne. Les polariseurs On peut polariser la lumière avec un filtre qui absorbe la polarisation dans une direction et laisse passer la polarisation dans une autre direction. Ce filtre est un polariseur. Par exemple, dans l image suivante, de la lumière non polarisée arrive sur un tel filtre. On représente souvent cette lumière non polarisée avec plusieurs flèches dirigées dans des directions perpendiculaires à la direction de propagation de l onde pour montrer qu elle est une superposition de toutes les directions d oscillation transversale possibles. Ce polariseur laisse passer la lumière polarisée dans la direction verticale. On indique cela par la grosse double flèche sur le filtre qui montre la direction de polarisation qui pourra passer. Cette direction est l axe de polarisation du polariseur. Par contre, toutes les polarisations perpendiculaires à l axe de polarisation du polariseur sont absorbées. Quand la lumière sort de ce polariseur, il ne reste qu une seule polarisation et on a maintenant de la lumière polarisée dans la direction de l axe de polarisation du polariseur. hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/phyopt/polabs.html Version 2016b 9-La polarisation 7

8 Les polariseurs sont composés d une matière faite de très longues molécules tout alignées dans la même direction. Ces molécules absorbent la lumière qui oscille dans une direction, mais elles ne peuvent pas absorber la lumière qui oscille dans l autre direction. On a découvert ce genre de filtre en Lumière non polarisée arrivant sur un filtre On peut toujours séparer la lumière en deux polarisations principales, qu elle soit polarisée ou non. Dans le cas de la lumière non polarisée, les deux composantes ont exactement la même amplitude. On peut choisir un axe dans la direction de l axe de polarisation du filtre et un axe perpendiculaire à l axe de polarisation du filtre. Quand la lumière va passer dans le filtre, la composante perpendiculaire va disparaître et il ne restera que la composante parallèle. On aura ainsi perdu la moitié de la lumière et l intensité de la lumière sera donc divisée par deux à la sortie du filtre. On a donc Lumière non polarisée passant dans un filtre polarisant La lumière est maintenant polarisée dans la direction de l axe de polarisation du filtre. I0 I 2 où I 0 est l intensité de la lumière avant le passage dans le filtre. Lumière polarisée arrivant sur un filtre On pourrait penser que rien ne va changer si on fait passer de la lumière polarisée dans un filtre polarisant parce que la lumière est déjà polarisée. Ce n est pas nécessairement vrai puisque la direction de l axe de polarisation du filtre peut être différente de la direction de polarisation de la lumière. Si l axe du filtre et la direction d oscillation de la lumière sont parallèles, alors c est vrai que toute la lumière passera à travers le filtre. otl.curtin.edu.au/events/conferences/tlf/tlf1997/swan.html Version 2016b 9-La polarisation 8

9 Si, par contre, l axe est perpendiculaire à la direction d oscillation de l onde, aucune lumière ne va passer. otl.curtin.edu.au/events/conferences/tlf/tlf1997/swan.html L axe du polariseur peut en fait faire n importe quel angle avec la direction de polarisation. Pour connaître la proportion de lumière qui passera alors, il faut séparer la lumière en deux composantes : une composante parallèle à l axe et une composante perpendiculaire à l axe. Seule la composante parallèle va passer. Si l angle entre l axe de polarisation du filtre et la direction d oscillation de l onde est, alors la composante parallèle est A A cos 0 Comme l intensité est proportionnelle au carré de l amplitude, on a I I cos 2 0 De plus, comme le filtre ne laisse passer que la composante de la lumière dans le sens de l axe de polarisation, la lumière qui sort du polariseur est polarisée dans la direction de l axe du polariseur. Sur la figure suivante, on peut voir que la direction de la polarisation est toujours la même que celle de l axe de polarisation du dernier polariseur traversé. Version 2016b 9-La polarisation 9

10 On peut alors résumer ce qui se passe quand la lumière traverse un filtre polarisant Lumière polarisée passant dans un filtre polarisant C est la loi de Malus. La lumière est maintenant polarisée dans la direction de l axe de polarisation du filtre. I I cos 2 0 où I 0 est l intensité de la lumière avant le passage dans le filtre. Ainsi, si l angle est nul entre les axes, toute la lumière passe. Si l angle est de 90, il n y a plus rien qui passe. C est ce que vous explique Grandpa John et le département de physique et d astronomie de l université de Californie. Dans ce vidéo, on en fait un beau tour de magie. Exemple De la lumière non polarisée ayant une intensité initiale I i passe à travers 3 polariseurs dont les axes sont orientés tels qu illustrés sur la figure. Quel pourcentage de lumière reste-t-il après que la lumière ait traversé les trois polariseurs? Version 2016b 9-La polarisation 10

11 Premier polariseur De la lumière non polarisée arrive sur le polariseur. L intensité de la lumière après le passage à travers le polariseur est donc I Ii 0,5I 2 i La lumière est maintenant polarisée dans la direction de l axe du polariseur, donc dans une direction faisant 20 avec la verticale. Deuxième polariseur De la lumière polarisée arrive sur le polariseur. L angle entre l axe du polariseur (30 ) et la direction de polarisation de la lumière (20 ) est = 10. L intensité de la lumière après le passage à travers le polariseur est donc I I 0 cos 2 2 0,5Ii cos 10 0,485I i La lumière est maintenant polarisée dans la direction de l axe du polariseur, donc dans une direction faisant 30 avec la verticale. Troisième polariseur De la lumière polarisée arrive sur le polariseur. L angle entre l axe du polariseur (50 ) et la direction de polarisation de la lumière (30 ) est = 20. L intensité de la lumière après le passage à travers le polariseur est donc I I I I 0 cos 2 2 0, 485Ii cos 20 0,428I i Il ne reste donc que 42,8 % de l intensité de la lumière initiale. Le cinéma en trois dimensions Pour obtenir une image en trois dimensions, il faut que l image reçue par chacun des deux yeux soit légèrement différente. Quand on regarde une image projetée sur un écran, les deux yeux voient la même image et tous les éléments de l image semblent être à la même distance. Pour que chaque œil capte une image différente, on projette sur l écran deux images. L une est en lumière polarisée verticalement et l autre est en lumière polarisée Version 2016b 9-La polarisation 11

12 horizontalement. Deux filtres polarisants (vertical et horizontal) alternent devant le projecteur pour polariser les deux images sur l écran. news.bbc.co.uk/2/hi/entertainment/ stm Pour qu une seule de ces images se rende à un seul œil, on utilise des lunettes munies de polariseurs. Pour un œil, l axe du polariseur est vertical et seule l image polarisée verticalement peut se rendre à cet œil. Pour l autre œil, l axe de polariseur est horizontal et, ainsi, seule l image polarisée horizontalement peut se rendre à cet œil. Chaque œil reçoit ainsi une image différente. news.bbc.co.uk/2/hi/entertainment/ stm Version 2016b 9-La polarisation 12

13 Le principe expliqué ici est effectivement celui utilisé anciennement. Les lunettes ressemblaient alors à celles de la figure de droite. tpe3d-2013.e-monsite.com/pages/3d-polarisundefinede.html Maintenant, on utilise plutôt de la lumière polarisée circulairement. Les lunettes ressemblent alors plutôt à celles de l image de gauche. On n expliquera pas ici ce qu est la polarisation circulaire, mais le principe est passablement identique. michaelaisms.wordpress.com/category/3-d-glasses/ La lumière se réfléchissant sur une surface peut devenir polarisée. Pour comprendre pourquoi, on doit examiner comment la lumière est réfléchie par une surface. Quand la lumière interagit avec des particules chargées, il se passe deux choses. Premièrement, le champ électrique oscillant de l onde exerce une force oscillante sur les particules chargées. Cette force oscillante fait osciller les particules chargées dans la direction du champ électrique, donc dans la direction de la polarisation de l onde avec la même fréquence que la fréquence de l onde. skullsinthestars.com/2009/06/06/barkla-shows-that-x-rays-have-polarization-1905/ Ensuite, une particule chargée qui oscille émet des ondes électromagnétiques avec la même fréquence que la fréquence d oscillation de la particule. L onde émise est polarisée dans le Version 2016b 9-La polarisation 13

14 sens de l oscillation de la particule. Toutefois, l onde n est pas émise dans toutes les directions. Il y a des ondes émises dans le plan perpendiculaire à l oscillation de la particule, mais il n y en a pas dans la direction de l oscillation de la particule. Examinons maintenant ce qui se passe lors de la réflexion. Prenons un exemple précis pour simplifier le raisonnement : la lumière dans l air se réfléchit et se réfracte en entrant dans l eau. Quand l onde électromagnétique arrive sur l eau, elle fait osciller les particules chargées dans l eau. À leur tour, ces particules qui oscillent émettent une onde électromagnétique. La lumière réfléchie vient entièrement de ces ondes émises par les particules chargées alors que la lumière réfractée est la combinaison de l onde originale et de l onde émise par les particules. Si la lumière qui arrive sur la surface est polarisée parallèlement à la surface (donc perpendiculaire à la feuille), les particules du milieu vont également osciller dans cette direction. Comme la direction de l onde réfléchie est perpendiculaire à la direction d oscillation des particules, il y aura de la lumière réfléchie ayant cette polarisation. en.wikiversity.org/wiki/file:brewsterangle.jpg Version 2016b 9-La polarisation 14

15 Si la polarisation de la lumière n est pas parallèle à la surface (donc dans le plan de la feuille), alors la situation est bien différente. La lumière fait osciller les particules dans la direction montrée sur la figure quand la lumière est dans l eau. Cette oscillation provoque l émission de lumière, mais il est impossible que ces oscillations fassent de la lumière dans la direction de la réflexion si la lumière réfléchie est dans la même direction que l oscillation des particules. Dans ce cas, il n y aurait pas lumière réfléchie parce que les particules qui oscillent ne peuvent pas faire de la lumière dans cette direction. Comme cette oscillation est perpendiculaire en.wikiversity.org/wiki/file:brewsterangle.jpg à la direction du rayon réfracté, il n y a pas de lumière réfléchie pour cette polarisation s il y a 90 entre le rayon réfracté et le rayon réfléchi. Ainsi, si on envoie de la lumière non polarisée sur une surface, les deux polarisations seront présentes. Pour savoir ce qui se passe, on a qu à superposer les deux figures des réflexions obtenues pour chaque polarisation. On a alors en.wikiversity.org/wiki/file:brewsterangle.jpg Version 2016b 9-La polarisation 15

16 Les deux polarisations sont alors présentes dans la lumière qui arrive sur la surface. Cependant, comme une seule de ces polarisations peut être réfléchie, la lumière réfléchie sera polarisée. Les deux polarisations peuvent faire la lumière réfractée et le rayon réfracté n est donc pas polarisé. Il est cependant partiellement polarisé, car une des polarisations est plus forte que l autre. La polarisation qui peut faire de la réflexion a perdu une partie de son intensité lors de la réflexion et il reste donc moins d intensité dans le rayon réfracté comparé à la polarisation qui ne fait pas de réfraction. C est donc ainsi qu on peut obtenir, par réflexion, une lumière polarisée à partir d une lumière non polarisée. En résumé, il doit y avoir 90 entre les rayons réfléchi et réfracté pour obtenir de la lumière réfléchie totalement polarisée. On peut trouver cet angle en partant de cette figure. Selon la loi de Snell-Descartes, on a n sin n sin 1 p 2 2 Puisqu il y a 90 entre les rayons réfracté et réfléchi, on a p p fr.wikipedia.org/wiki/angle_de_brewster Ce qui nous donne n sin n sin 1 p 2 2 n sin n sin 90 1 p 2 n sin n cos 1 p 2 Puisque sin /cos = tan, on a Angle de polarisation ou angle de Brewster n tan p n 2 1 p p Version 2016b 9-La polarisation 16

17 Exemple Quel est l angle de polarisation de la lumière dans l air se réfléchissant sur l eau? L angle est n tan p n 2 1 1, 33 tan p 1 53,1 p Cela veut dire que la lumière polarisée dans la direction indiquée sur la figure ne fera aucune réflexion sur l eau si l angle d incidence est de 53,1. en.wikiversity.org/wiki/file:brewsterangle.jpg Si l angle d incidence n est pas de 53,1, il y aura de la lumière réfléchie. Plus on s éloigne de l angle de polarisation, plus l intensité de la lumière réfléchie sera importante. On peut très bien voir cet effet avec les images suivantes. Dans cette première image, on peut voir à gauche la scène normalement. On ne voit pas très bien le fond de la mer parce que la lumière réfléchie par la surface est plus intense que la lumière qui provient du fond. À droite, on regarde la même scène, mais avec un filtre polarisant ayant un axe vertical. Comme la lumière réfléchie sur l eau est polarisée horizontalement, le filtre bloque cette lumière. Maintenant, la lumière qui provient du fond est plus intense que la lumière réfléchie, et on voit bien le fond. Version 2016b 9-La polarisation 17

18 Sur l image suivante, on voit la lumière réfléchie sur l automobile sur l image de gauche. Si on prend un filtre polarisant avec un axe horizontal, on bloque la lumière qui s est réfléchie sur les surfaces verticales et qui est maintenant polarisée verticalement. On ne voit plus la lumière réfléchie (image de droite). fotografium.com/bw-55mm-polarize-filtre#.uxyrqvl5pto En fait, la lumière réfléchie est rarement totalement polarisée. Pour que cela arrive, il faut que l angle d incidence soit exactement égal à l angle de polarisation. Mais même si l angle n est pas exactement égal à l angle de polarisation, la polarisation de la lumière réfléchie parallèle à la surface est souvent plus forte que l autre composante. On a donc une polarisation partielle. Le filtre va bloquer la polarisation la plus forte et la lumière réfléchie sera donc moins intense avec le filtre. On peut voir ce phénomène avec la figure suivante. On y voit la lumière réfléchie sur un lac à travers un filtre polarisant avec un axe vertical. Version 2016b 9-La polarisation 18

19 paraselene.de/cgi/bin?_sid=7e65d76b c35aeec86f67c20bdca7aabd &_bereich=artikel&_aktion=detail&ida rtikel=116150&_sprache=paraselene_englisch On voit au bas de la figure qu il n y a pratiquement pas de lumière réfléchie sur le lac. C est que la lumière provenant de cet endroit arrive sur le lac avec un angle d incidence tout près de l angle de polarisation. La lumière fortement polarisée qui se reflète alors est presque toute bloquée par le filtre polarisant et on ne voit pas de lumière réfléchie. Ailleurs sur le lac, on peut voir la lumière réfléchie. La réflexion qu on voit à ces endroits s est faite avec un angle assez loin de l angle de polarisation. Dans ce cas, la lumière réfléchie n a qu une polarisation très partielle. Même si le filtre bloque la polarisation horizontale, il reste l autre polarisation et on peut donc voir de la lumière réfléchie Les lunettes polarisées sont simplement des filtres polarisants avec un axe de polarisation verticale. L effet n est pas spectaculaire avec de la lumière non polarisée : il ne passe que la moitié de la lumière. La lumière est polarisée après le passage dans les lunettes, mais notre œil n est pas sensible à la polarisation, ce qui veut dire qu on ne voit aucune différence entre de la lumière polarisée dans une direction ou dans une autre ou entre de la lumière polarisée et de la lumière non polarisée. Il y aura par contre une différence avec la lumière réfléchie. On vient de voir que la lumière réfléchie est polarisée avec une direction parallèle à la surface. La lumière qui se réfléchit sur un lac ou sur le sol est donc polarisée horizontalement. Avec des lunettes ayant un axe vertical, on bloque cette lumière réfléchie polarisée. La lumière réfléchie est donc fortement atténuée avec les lunettes polarisées. C est ce qu on peut voir dans ce vidéo. Version 2016b 9-La polarisation 19

20 La diffusion se produit quand la lumière traverse un gaz. Les particules chargées présentes dans les molécules du gaz entrent alors en oscillation et émettent à leur tour de la lumière. Cette lumière réémise est la lumière diffusée. On peut dire en passant que le résultat n est pas le même pour toutes les longueurs d onde. Plus la longueur d onde est petite, plus il y aura de la lumière diffusée. Si on fait passer de la lumière blanche dans un gaz, il y aura donc beaucoup plus de lumière diffusée pour les petites longueurs d onde, donc du côté bleu du spectre, que pour les grandes longueurs d onde, donc du côté rouge du spectre. La lumière diffusée sera donc bleue. C est pour ça que le ciel est bleu. Quand on regarde le ciel, on voit cette lumière bleue diffusée par les particules dans l atmosphère. photonicswiki.org/index.php?title=dispersion_and_scattering_of_light C est également pour ça que le Soleil devient plus rouge au coucher de Soleil. Les petites longueurs d onde ayant été diffusées par l atmosphère, il reste davantage de grandes longueurs d onde dans la lumière provenant du Soleil. Plus la lumière a fait un trajet important dans l atmosphère, plus il y de bleu diffusé et plus le rouge gagne en importance. C est au coucher du Soleil que la lumière traverse le plus d atmosphère et c est donc à ce moment que la lumière est fortement composée de rouge. photonicswiki.org/index.php?title=dispersion_and_scattering_of_light Version 2016b 9-La polarisation 20

21 La lumière diffusée est également polarisée. Elle est émise par les oscillations des particules chargées et on a vu que cette lumière est polarisée et ne peut pas exister dans toutes les directions. Regardons ce qui arrive avec la lumière diffusée à 90 quand de la lumière non polarisée arrive dans un gaz isites.harvard.edu/fs/docs/icb.topic files/images/polarizationbyscattering002.jpg La lumière polarisée verticalement fait osciller les particules chargées verticalement et il y a de la lumière réémise dans la direction A et aucune lumière dans la direction B. La lumière polarisée horizontalement fait osciller les particules chargées horizontalement et il y a de la lumière réémise dans la direction B et aucune lumière dans la direction A. La lumière dans la direction A est donc polarisée verticalement et la lumière dans la direction B est polarisée horizontalement. Tout ça pour dire que la lumière diffusée à 90 est totalement polarisée. La direction de polarisation est toujours perpendiculaire au rayon initial non polarisé. La lumière diffusée à d autres angles est partiellement polarisée. Plus on s approche de 90, plus la polarisation est importante. Dans l image suivante, on regarde le ciel avec un filtre polarisé. On regarde en fait à 90 de la direction du Soleil. Dans cette direction, on voit la lumière diffusée à 90. En plaçant l axe du polariseur dans la direction du Soleil, on bloque la lumière polarisée perpendiculairement à cette direction, donc la lumière diffusée puisqu elle est polarisée perpendiculairement à la direction du rayon initial. Version 2016b 9-La polarisation 21

22 paraselene.de/cgi/bin?_sid=7e65d76b c35aeec86f67c20bdca7aabd &_bereich=artikel&_aktion=detail&ida rtikel=116150&_sprache=paraselene_englisch Toute la bande noire correspond aux endroits où la lumière du ciel est diffusée à 90. La polarisation de la lumière du ciel permet de faire certains effets en photographie. Avec un filtre polarisant, on peut diminuer fortement l intensité de la lumière du ciel, qui est presque toujours au moins partiellement polarisée, ce qui peut augmenter le contraste avec les nuages (qui eux ne font pas de lumière polarisée). L image de gauche fut faite sans filtre et l image de droite fut obtenue avec un filtre polarisant. Version 2016b 9-La polarisation 22

23 forums.steves-digicams.com/newbie-help/ polarizing-filter-necessary.html#b Certains cristaux ne sont pas isotropes (ce qui arrive si les molécules sont toutes alignées dans la même direction). Cela fait que la lumière peut aller plus vite dans une direction dans le cristal pour une polarisation. Cette direction est indiquée par l axe optique du cristal. Voyons ce que cela signifie pour de la lumière polarisée dans une direction perpendiculaire à l axe optique du cristal. Cette polarisation crée des ondes qui se propagent à la même vitesse dans toutes les directions (cercles sur la figure) et elle se propage donc normalement dans la substance (perpendiculairement au front d onde). Cette polarisation forme le rayon ordinaire. Version 2016b 9-La polarisation 23

24 Pour l autre polarisation, l onde se propage plus rapidement dans la direction de l axe optique. Les ondes ne sont plus des cercles, mais des ellipses étirées dans la direction de l axe optique. Dans un chapitre précédent, on avait dit que les rayons sont toujours perpendiculaires aux fronts d onde. C est vrai si la vitesse de la lumière est la même dans toutes les directions, mais ce n est plus vrai si la vitesse est différente, comme ici. La direction est plutôt la suivante. Ce rayon va du centre des ellipses au point de l ellipse tangent au front d onde. Cela fait que ce rayon ne se propage pas dans la direction prévue (qui aurait été directement vers la droite ici puisque l angle d incidence était nul). Le rayon allant dans cette direction est appelé le rayon extraordinaire. Pour la calcite, l angle entre le rayon ordinaire et le rayon extraordinaire est de 6,2. Version 2016b 9-La polarisation 24

25 Si on fait passer de la lumière non polarisée, alors il y aura le rayon ordinaire et le rayon extraordinaire en même temps. La lumière non polarisée est donc séparée en deux rayons polarisés ayant la même intensité. theses.ulaval.ca/archimede/fichiers/22342/ch02.html Avec un filtre polarisant, il est assez facile de voir que les deux images obtenues avec un cristal de calcite sont polarisées. En tournant le filtre, on peut d ailleurs passer d une image à l autre. L étude du passage de la lumière dans des cristaux est d ailleurs assez complexe. Sachez que l indice de réfraction devient en fait une matrice 3 x 3 et qui est possible qu il y ait de la réfraction avec un certain angle, même si l angle d incidence est nul, comme c est le cas sur la figure pour le faisceau polarisé verticalement. Nous n étudierons pas ces cas complexes. Certaines molécules en solution peuvent faire tourner la direction de polarisation de la lumière polarisée. Cette capacité à faire tourner le plan de polarisation s appelle l activité optique et les molécules qui peuvent faire tourner la direction sont des énantiomères. Dans la figure, une substance en solution a fait tourner la direction de polarisation vers la droite quand on regarde la lumière se diriger vers nous. C est donc qu un énantiomère dextrogyre a été utilisé. Si la direction tourne vers la gauche, on a utilisé un énantiomère lévogyre. Version 2016b 9-La polarisation 25

26 /chemistry/stuff1/EX1/notions/optique.htm Comme l angle de rotation dépend de la concentration de la substance, on peut se servir de la valeur de l angle de rotation pour déterminer la concentration de l énantiomère. Voici une démonstration avec des sucres. L activité optique de certaines substances transparentes dépend de la tension dans l objet et de la longueur d onde de la lumière passant à travers l objet. Quand on fait passer de la lumière blanche polarisée à travers ces objets et qu on regarde le tout à travers un filtre polarisant, on peut carrément voir les zones de tensions dans l objet. en.wikipedia.org/wiki/photoelasticity Version 2016b 9-La polarisation 26

27 L activité optique est aussi à la base du fonctionnement des affichages à cristaux liquides. Pour faire cet affichage, on place une couche de cristal liquide entre deux polariseurs croisés (qui ont des axes perpendiculaires l un par rapport à l autre). En l absence de champ électrique, les cristaux liquides ont une activité optique. On a utilisé exactement la bonne épaisseur pour que la direction de polarisation tourne de 90. Ainsi quand la lumière arrive à l autre polariseur, elle peut passer. La lumière est ensuite réfléchie sur un miroir, repasse dans le polariseur, dans la couche qui refait tourner le plan de polarisation de 90, et dans l autre polariseur. Puisque la lumière peut ressortir, l affichage est alors plutôt blanc. Quand on applique un champ électrique, les cristaux liquides n ont plus d activité optique. Ainsi, la direction de polarisation de la lumière polarisée qui traverse la couche de cristal liquide n est plus tournée de 90 et la lumière est donc bloquée par le polariseur situé de l autre côté de la couche. Il n y aura donc pas de lumière qui va se rendre au miroir et, ainsi, il n y aura pas de lumière réfléchie. L affichage sera donc noir. Ainsi, l image qui sort d un affichage à cristaux liquides est polarisée. Vous pouvez facilement constater cela en regardant ces écrans avec des lunettes polarisées et en tournant la tête. Vous verrez alors l intensité changer selon l orientation des lunettes par rapport à l écran. Ce vidéo montre bien que la lumière des écrans LCD est effectivement polarisée alors que celle des anciens écrans à tube ne l était pas. Version 2016b 9-La polarisation 27

28 Lumière non polarisée passant dans un filtre polarisant La lumière est maintenant polarisée dans la direction de l axe de polarisation du filtre. I0 I 2 où I 0 est l intensité de la lumière avant le passage dans le filtre. Lumière polarisée passant dans un filtre polarisant La lumière est maintenant polarisée dans la direction de l axe de polarisation du filtre. I I cos 2 0 où I 0 est l intensité de la lumière avant le passage dans le filtre. Angle de polarisation ou angle de Brewster n tan p n 2 1 Version 2016b 9-La polarisation 28

29 9.3 Polarisation par absorption 1. Quelle est l intensité de la lumière après qu elle ait traversé ces deux polariseurs? 2. Quelle est l intensité de la lumière après qu elle ait traversé ces trois polariseurs si elle n était pas polarisée au départ? Version 2016b 9-La polarisation 29

30 3. Quel doit être l angle du deuxième polariseur pour qu on ait les intensités lumineuses indiquées sur la figure si la lumière n était pas polarisée au départ? Polarisation par réflexion 4. Quel doit être l angle dans cette figure pour que le rayon réfléchi soit totalement polarisé? 5. Quel doit être l angle dans cette figure pour que le rayon réfléchi soit totalement polarisé? en.wikipedia.org/wiki/optics Version 2016b 9-La polarisation 30

31 6. De la lumière se réfléchit sur une surface en verre ayant un indice de réfraction de 1,7. Quel est l angle entre la normale et le rayon réfracté si le rayon réfléchi est totalement polarisé? cnx.org/content/m42522/latest/?collection=col11406/latest 7. De la lumière arrive à une interface entre deux milieux (et un des milieux n est pas nécessairement de l air). L angle critique pour la réflexion interne est de 48. a) Quel est l angle de polarisation? b) Pourrait-on avoir une réflexion totale totalement polarisée? 9.3 Polarisation par absorption 1. 20,53 W/m² 2. 1,25 W/m² 3. 70,8 ou 149,2 9.4 Polarisation par réflexion 4. 57, , ,5 7. b) 36,6 b) Non Version 2016b 9-La polarisation 31