POLARISATION DE LA LUMIERE

Polarisation de la lumiÈre

Les ondes électromagnétiques sont des ondes transversales, ce qui signifie que la direction d'oscillation du vecteur lumineux (le vecteur l'intensité du champ électrique de l'onde) est perpendiculaire à la direction de propagation. Quand la direction de propagation est fixée, le vecteur l'intensité du champ électrique peut avoir n'importe quelle orientation dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation. Puisque l'émission de la lumiÈre est faite au niveau des atomes qui composent la source de lumiÈre par des processus aléatoires, il résulte qu'il n'y a aucune direction préférentielle d'orientation du vecteur lumineux. Si on construit le lieu géométrique des extrémités des vecteurs lumineux qui composent un faisceau parallÈle de lumiÈre naturelle, on obtiendrait un cercle. On dit, dans ce cas, que la lumiÈre n'est pas polarisée.

Par certaines procédures expérimentales, il existe la possibilité de faire que les ondes qui composent un faisceau parallÈle de lumiÈre aient une orientation préférentielle du vecteur lumineux. Dans ces cas, le lieu géométrique des extrémités des vecteurs lumineux est une ellipse (situation dans laquelle la lumiÈre est partialement polarisée), ou une droite (cas nommé lumiÈre totalement polarisée).

On peut obtenir de la lumiÈre polarisée par plusieurs modalités, dont on peut mentionner: polarisation par réflexion, polarisation par double réfraction et l'utilisation du phénomÈne de dichroÃ�sme.

Polarisation par réflexion

Envisageons la surface de séparation plane entre deux milieux diélectriques transparentes, homogÈnes et isotropes. Les deux milieux ont les permittivités électriques e et e , et leurs perméabilités magnétiques peuvent Être considérées pratiquement égales à la perméabilité magnétique du vide.

Soit une onde électromagnétique plane qui vient du milieu 1 vers la surface de séparation. Le vecteur l'intensité du champ électrique de cette onde est coplanaire avec la direction du rayon lumineux et la normale à la surface de séparation, lorsque le vecteur l'intensité du champ magnétique de l'onde est perpendiculaire à ce plan. L'onde se reflÈte sous un angle égal à l'angle d'incidence i et, simultanément, se réfracte sous l'angle de réfraction r, qui vérifie la relation

oÙ v₁ et v₂ sont les vitesses de propagation dans les deux milieux et sont calculées avec les relations

Il résulte

On peut utiliser les lois de Maxwell pour trouver des relations entre les composantes des intensités ou inductions du champ électrique des deux milieux:

Þ          on sait que le flux d'induction électrique à travers une surface fermée doit Être proportionnel à la charge électrique contenue à l'intérieur de la surface fermée (loi de Maxwell-Gauss). On choisit comme surface fermée un cylindre de hauteur négligeable h dont la surface latérale coupe la surface de séparation et tenant compte que à l'intérieur du cylindre il n'y a pas de charge électrique nette, il résulte

ou

ou

ou

Þ          d'autre part, on sait que la circulation de l'intensité du champ électrique sur une courbe fermée est proportionnelle à la vitesse de variation du flux d'induction magnétique à travers la surface limitée par la courbe (loi de Maxwell-Faraday). On choisit comme courbe fermée le rectangle de hauteur négligeable h, ayant les bases parallÈles à la surface de séparation, et tenant compte que le flux d'induction magnétique à travers sa surface est pratiquement nul, il résulte

ou

ou

Les équations obtenues peuvent Être utilisées pour déterminer les valeurs de champs E_1,2 en fonction de E₀. En divisant les deux équations, on obtient

ou

ou

Aussi

ou

ou

Le coefficient de réflexion R est défini comme le rapport entre l'intensité de la lumiÈre réfléchie et l'intensité de la lumiÈre incidente:

et le coefficient de transmission T est le rapport entre l'intensité de la lumiÈre réfractée et l'intensité de la lumiÈre incidente

On observe que dans le cas oÙ

il résulte tg (i + r) ¥, ce qui conduit à la R 0, T 1, c'est-à-dire si le vecteur l'intensité du champ électrique de l'onde lumineuse est coplanaire avec la direction du rayon de lumiÈre et la normale à la surface de séparation, lorsque le vecteur l'intensité du champ magnétique de l'onde est perpendiculaire sur ce plan, et l'angle d'incidence est ainsi choisi que l'angle de réfraction soit égal à son complément, il n'y a pas de rayons lumineux réfléchis, et la lumiÈre incidente est entiÈrement transmise dans le deuxiÈme milieu par réfraction. Si on tient compte que dans ce cas

il résulte que la transmission intégrale dans le deuxiÈme milieu obéit à la condition

Un deuxiÈme cas qu'on doit le discuter est celui oÙ le vecteur l'intensité du champ magnétique de l'onde lumineuse est coplanaire avec la direction du rayon de lumiÈre et la normale à la surface de séparation, et le vecteur l'intensité du champ électrique de l'onde est perpendiculaire sur ce plan. Procédant de la mÊme maniÈre que dans le cas antérieur et utilisant les deux autres lois de Maxwell (concernant la circulation et le flux du champ magnétique), on obtient

Il résulte

Puisque la densité d'énergie du champ magnétique d'une onde électromagnétique est égale à la densité d'énergie du champ électrique de l'onde

il résulte

et

On observe que dans ce cas ni le coefficient de réflexion, ni le coefficient de transmission ne peuvent pas s'annuler pour aucune valeur de l'angle d'incidence.

La conclusion de cette discussion est que pour une valeur de l'angle d'incidence, nommée angle de Brewster, qui satisfait à la condition

un rayon de lumiÈre pas polarisée, se polarise par réflexion

D'autre part, le rayon réfracté est partialement polarisé, ainsi que

ou

Il résulte que dans le deuxiÈme milieu, la direction préférentielle d'oscillation du vecteur lumineux est celle comprise dans le plan d'incidence.

Pour d'autres angles d'incidence que l'angle de Brewster tant le rayon réfléchi que le rayon réfracté sont partialement polarisés.

Le phénomÈne de polarisation par réflexion peut se produire, par exemple, dans l'atmosphÈre terrestre, car il y a un gradient de température qui entraine la variation de l'indice de réfraction du l'air avec l'altitude.