POLARISATION DE LA LUMIÈRE

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1 TRAVAUX PRATIQUES POLARISATION DE LA LUMIÈRE Cette séance de travaux pratiques propose quelques expériences sur l étude et la manipulation de la polarisation d un faisceau. Ces expériences se concentrent pour l essentiel sur la polarisation linéaire. I Polariseurs, loi de Malus Un He-Ne à (rouge) est monté sur un banc optique. Son faisceau est parallèle au banc et frappe la surface sensible d un à photodiode, dont la tension fournie en sortie est proportionnelle à la puissance lumineuse qu il reçoit. Pour des mesures valables, on veillera que le ne sature pas : la sortie ne doit pas approcher les 9V de la tension d alimentation (pile interne au boîtier). Interposer deux s (polaroïds) l un à la suite de l autre sur le faisceau, en incidence normale. La lumière qui traverse un polaroïd en sort polarisée linéairement : en tout point du faisceau, le champ électrique optique oscille suivant la direction passante du polaroïd, transversalement à la direction de propagation. Le premier polaroïd sur le faisceau est usuellement dénommé "", le second "". Observer à l oscilloscope la puissance lumineuse détectée tout en tournant le (ou l ) dans son plan. Mesurer le taux de transmission de l lorsqu il est passant. Estimer son taux de transmission lorsqu il est croisé avec le. (On prendra garde à la lumière de fond : le signal fourni par le n est pas nul quand on obture le faisceau.) Relever le signal en tension mesuré par le pour quelques (< 10) positions angulaires de l. Vérifier graphiquement la loi de Malus : P L cos 2, où est l angle entre les directions passantes des deux polaroïds (attention au signal de fond). II Création d une polarisation linéaire Un faisceau lumineux est polarisé linéairement après qu il a traversé un polaroïd (cf. I). On examine ici deux autres possibilités de création d une polarisation linéaire. II.1 Cristal anisotrope Envoyer le faisceau de l He-Ne rouge directement sur un. Repérer la position du spot lumineux. Interposer en incidence normale le cristal déplaceur polarisant ; en 1/5

2 déplaçant l, vérifier qu émergent deux faisceaux parallèles entre eux ; préciser la position des spots observés, lorsque le cristal est tourné continûment autour du faisceau lumineux incident. déplaceur polarisant Analyser avec un polaroïd la polarisation des faisceaux émergeant du déplaceur polarisant. Tracer sur un schéma les directions de polarisation des spots lumineux, en faisant figurer la ligne qui passe par les spots observés à l. Vérifier que ce schéma tourne en même temps que le déplaceur polarisant autour de l axe du faisceau incident. Ôter le polaroïd et le placer avant le déplaceur polarisant. Expliquer les observations que l on peut faire sur l lorsque le polaroïd est tourné dans son plan. Conclure sur l utilité du déplaceur polarisant. II.2 Réflexion à l incidence de Brewster Placer une de verre (indice de réfraction n 1,5) sur un support, de façon à envoyer le faisceau réfléchi vers le mur (et non vers soi ni vers autrui). Régler l incidence du faisceau sur la à peu près à l angle de Brewster i B tel que tgi B = n. de verre Introduire un polaroïd sur le faisceau incident. Le tourner dans son plan et repérer sa position pour laquelle le faisceau réfléchi est éteint (retoucher l orientation de la ). Identifier et repérer la direction passante du polaroïd utilisé. Ôter le polaroïd et le placer de façon à analyser le faisceau réfléchi. Repérer sa position pour laquelle le faisceau réfléchi est éteint. Conclure. Installer ensuite un empilement de s de verre à la place de la unique, de façon que le faisceau incident soit à l angle d incidence de Brewster. Analyser le faisceau transmis avec un polaroïd. Expliquer la structure spatiale et en polarisation des faisceaux transmis et réfléchis. III Rotation d une polarisation linéaire III.1 Activité optique Installer sur le faisceau un et un en position croisée (le spot sur l d observation est éteint). Placer une à pouvoir rotatoire entre eux, en incidence normale ; que se passe-t-il? Tourner l dans son plan en observant l ; en 2/5

3 déduire l effet de la sur la polarisation du faisceau. Examiner l influence d une rotation de la dans son plan, de son retournement ou de son inclinaison sur le faisceau. Interpréter. à activité Explorer le cas où l on place une deuxième, identique à la première, après le. Conclure sur l utilité de telles s. Mesurer la rotation de la polarisation, due à la présence d une après le, pour les longueurs d onde o fournies par les s He-Ne rouge, jaune et vert. 2 Vérifier la loi 1/ 0 (valable pour le quartz). III.2 Lame demi-onde Réinstaller si besoin le He-Ne rouge sur le banc. Placer, en incidence normale, une demi-onde à entre et croisés. Tourner la dans son plan tout en observant le spot sur l. Repérer les positions angulaires de la pour lesquelles elle est sans effet sur la polarisation de la lumière linéaire qui la traverse. Interpréter. demi-onde À partir de l une de ces positions angulaires, tourner la d un angle 1 (10, par exemple) et mesurer avec l la rotation 2 correspondante de la polarisation linéaire émergente. Varier 1 et tracer, pour quelques (< 10) points, 2 en fonction de 1 ; quelle relation simple lie 1 et 2? Quelle est l utilité d une telle optique? IV Évolution de la polarisation au cours de la propagation dans un milieux biréfringent barreau de plexiglas Faire passer le faisceau rouge dans un barreau cylindrique de plexiglas, le long de son axe de symétrie cylindrique. Installer et en positions verticale et horizontale, respectivement, de part et d autre du cylindre. Tourner le barreau autour de son axe, tout en observant le spot sur l. Observer les positions angulaires pour lesquelles le barreau est sans effet sur la polarisation de la lumière linéaire qui le traverse. Conclusion? 3/5

4 Pour l une de ces positions angulaires du barreau, observer la lumière diffusée dans une direction à 90 du faisceau. (Cette diffusion provient des inhomogénéités structurales du barreau : le milieu n est pas cristallin, il est amorphe.) On pourra s aider d un papier noir disposé derrière le barreau. Vérifier que l intensité de la lumière diffusée dépend de l angle entre la direction de polarisation linéaire du faisceau et la direction d observation ; dans quelle direction a-t-on un maximum de diffusion? une diffusion nulle? Dans une direction où la lumière diffusée est maximale, analyser cette lumière avec un polaroïd. Préciser la direction de polarisation de la lumière diffusée. Tourner le barreau de 45 environ autour de son axe. Décrire le phénomène observé sur la lumière diffusée. En quels lieux à l intérieur du barreau la polarisation est-elle linéaire? Préciser sa direction. Vérifier qu un maximum de diffusion observé horizontalement, correspond à une diffusion nulle observée verticalement, et vice versa. Interpréter. Mesurer la période spatiale a du phénomène observé le long du barreau, aussi précisément que possible. En déduire la valeur de la biréfringence n 2 n 1, différence entre les indices de réfraction propres du barreau, sachant que n 2 n 1 = o /a (relation que l on retrouvera, en dehors de la salle de TP). Quel type de optique obtiendrait-on si l on prenait un tronçon de longueur a/2 du barreau? de longueur a/4? V Mesure de la biréfringence d une inconnue Installer et en position croisée. Placer entre eux une quart d onde à, et l orienter de façon à aligner ses axes neutres avec les directions passantes des et. Ôter la. La remplacer par la à mesurer. Installer ses axes neutres à 45 des directions passantes des et. (La polarisation sortant de la est alors elliptique, avec des axes principaux alignés avec ceux du ; le justifier, si besoin en dehors de la salle de TP.) Installer la entre la à mesurer et l, dans l orientation angulaire précédemment fixée. (La polarisation après la est linéaire ; le justifier.) inconnue Tourner l d un angle, inférieur à un quart de tour dans un sens ou dans l autre, de façon à obtenir l extinction du faisceau émergent. En déduire le déphasage = ±2 (relation à retrouver) entre les deux modes propres de propagation au travers de la. Nota : Il n est possible de déterminer le signe de ( < ) que lorsque les axes rapide et lent de la sont préalablement repérés (ce qui n est pas le cas ici). 4/5

5 VI Création d une polarisation circulaire Sur le banc optique, envoyer le faisceau du He-Ne rouge sur le. Placer une à entre et croisés. Tourner la dans son plan tout en observant la puissance détectée. Relever les positions angulaires pour lesquelles la est sans effet sur la polarisation de la lumière linéaire qui la traverse. À partir de l une de ces positions, tourner la de 45. (La polarisation émergeant alors de la est circulaire : en un point quelconque du faisceau émergent, le champ électrique optique tourne autour de l axe du faisceau à la fréquence optique, en conservant un module constant.) Observer la puissance lumineuse mesurée par le lorsque l est tourné dans son plan. Interpréter. Installer une seconde immédiatement après la première, leurs axes neutres étant alignés ; quelle est la polarisation émergente? Tourner ensuite la seconde de 90 ; que devient la polarisation émergente? Interpréter. VII Création d une polarisation elliptique Sur le banc optique, envoyer le faisceau du He-Ne rouge sur le. Placer une à entre et croisés. Tourner la dans son plan tout en observant la puissance détectée. Relever les positions angulaires pour lesquelles la est sans effet sur la polarisation de la lumière linéaire qui la traverse. Faire de même avec une seconde. À partir de l une de ces positions particulières, tourner la utilisée d un angle faible (5, par ex.). Tourner l pour repérer les directions des axes principaux de la polarisation elliptique ainsi fabriquée. Ces directions sont-elles bien celles attendues? Placer la seconde après la première, avec ses lignes neutres alignées suivant les directions principales de la polarisation elliptique. Quelle est la polarisation émergeant de la seconde? Le vérifier avec l. 5/5