Polarisation (optique)

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Exemple de banc de polarisation

La polarisation est une propriété des ondes vectorielles, c'est-à-dire pouvant osciller selon plus d'une orientation. Les ondes électromagnétiques telles que la lumière ou les hypothétiques ondes gravitationnelles ont ainsi des propriétés de polarisation tandis que les ondes mécaniques (telles que les ondes sonores) ne sont pas concernées.

Dans une onde électromagnétique, le champ électrique et le champ magnétique oscillent simultanément dans des directions différentes. Par convention, la polarisation de la lumière décrit la vibration du champ électrique. Ce champ peut osciller dans une seule direction (polarisation rectiligne) ou peut tourner autour de l'axe de propagation de l'onde. On parle dans ce cas de polarisation circulaire ou elliptique. Le sens de la rotation, droite ou gauche, est également un paramètre clé qu'il faut mettre en regard de la biréfringence et de l'activité optique des milieux traversés.

La polarisation des ondes occupe une place importante dans de nombreux domaines scientifiques tels que l'optique, la séismologie, l'étude des ondes radiofréquences et micro-ondes. Les technologies concernée sont plus particulièrement les lasers, les télécommunications (fibrées ou non) et les radars.

Théorie[modifier | modifier le code]

Explication du phénomène[modifier | modifier le code]

La manifestation la plus simple de polarisation est celle d'une onde plane, qui est une bonne approximation de la plupart des ondes lumineuses. Comme toute onde électromagnétique qui se propage, elle est constituée d'un champ électrique et d'un champ magnétique tous deux perpendiculaires à la direction de propagation :

Onde lumineuse avec champ magnétique \vec B et champ électrique \vec E à angle droit l'un de l'autre (dans le cas d'une polarisation rectiligne).

On décide, par convention, d'ignorer le champ magnétique par la suite, car il peut être déterminé à partir du champ électrique. On considère donc uniquement le champ électrique \vec E perpendiculaire à la direction de propagation.

Considérant les deux composantes vectorielles définissant l'orientation du champ électrique et conformément à la représentation ci-dessous, la figure décrite au cours du temps par le champ électrique en un point donné peut être alors :

  • un segment de droite, cas de la polarisation rectiligne ;
  • une ellipse, cas de la polarisation elliptique ;
  • un cercle, cas de la polarisation circulaire.

Les trois figures en mouvement ci-dessous illustrent, pour chacun des trois cas, l'évolution temporelle du champ électrique \vec E dans un plan d'onde fixé. Ces différentes formes définissent l'état de polarisation de l'onde : on dit que l'onde est polarisée rectilignement, elliptiquement ou circulairement.

Polarisation rectiligne.gif Polarisation elliptique.gif Polarisation circulaire.gif
Rectiligne Elliptique Circulaire

De plus, cette onde se propage dans l'espace, selon une direction précise, que l'on choisit verticale, perpendiculaire au plan d'onde horizontal, dans les figures ci-dessous (en trois dimensions) : ces courbes sont une représentation spatiale, instantanée, au temps t_0 fixé, des positions de la pointe de flèche du champ électrique dans tous les plans d'onde superposés verticalement le long de la propagation ; ces courbes sont construites en reportant à la distance verticale d le vecteur champ qui existait dans le plan d'onde du bas à un instant passé t=t_0-d/v (v est la vitesse de propagation ; on tient compte ainsi de l'effet de la propagation) :

  • La courbe de gauche représente la polarisation rectiligne ; c'est une sinusoïde tracée dans le plan vertical, passant par la diagonale du carré bleu, en bas.
  • La courbe de droite représente la polarisation circulaire ; c'est une hélice qui s'enroule sur un cylindre vertical, dont la base est le cercle dessiné en perspective dans le carré du bas.
  • La courbe du milieu représente la polarisation elliptique ; c'est une courbe ressemblant à une hélice, tracée sur un cylindre vertical, aplati, dont la base est l'ellipse dessinée dans le carré du bas.
Polarisation (Linear).svg Polarisation (Elliptical).svg Polarisation (Circular).svg
Rectiligne Elliptique Circulaire

On peut se figurer la propagation en faisant glisser verticalement ces représentations spatiales instantanées : un instant \Delta t plus tard, ces courbes doivent être remontées de la distance \Delta d=v \Delta t.

La symétrie des fonctions de l'espace et du temps, dans les équations de propagation, fait que les mêmes courbes peuvent aussi représenter mathématiquement les variations temporelles du champ électrique, dans un plan d'onde fixé, telles que nous les avons vues en mouvement dans la représentation animée ci-dessus (Il suffit alors de graduer en temps l'axe vertical).

Ce phénomène s'explique grâce à l'équation de propagation de l'onde lumineuse. En décomposant le champ électrique en ses deux composantes orthogonales (en bleu et rouge sur les schémas précédents), on s'aperçoit qu'elles ont toutes deux une évolution sinusoïdale. Lorsque les deux composantes oscillent en même temps, on obtient une polarisation rectiligne. Si elles présentent un déphasage (c'est-à-dire que l'une est en retard par rapport à l'autre), alors on obtient une polarisation elliptique.

Dans le cas particulier où ce déphasage vaut 90° et que les deux composantes ont même amplitude, la polarisation est circulaire. On distingue alors les cas de polarisation circulaire gauche et circulaire droite selon le sens de l'enroulement autour du cylindre.

Cette décomposition en deux composantes orthogonales est arbitraire. Il est aussi possible, par exemple, de décomposer en deux polarisations circulaires tournant en sens contraires.

La lumière incohérente[modifier | modifier le code]

L'explication ci-dessus n'est valable strictement que pour une onde monochromatique, et plus particulièrement une lumière cohérente. Dans les autres cas, les effets sont un peu différents.

Par exemple, dans la lumière d'une ampoule à filament, on observe que la lumière est polarisée aléatoirement : elle ne correspond à aucun des trois cas précédents. Cela s'explique par le fait que cette lumière est composée de trains d'ondes, courtes impulsions lumineuses ayant chacune une amplitude, une fréquence, et une polarisation aléatoires. Ainsi, ce que nous observons est une moyenne de tous ces trains d'ondes qui nous apparaît non polarisée.

Toutefois, la lumière incohérente peut aussi présenter, en partie, une polarisation elliptique, circulaire, ou rectiligne. Pour déterminer alors quelle est la polarisation d'une lumière, on utilise des polariseurs et des lames à retard.

Représentation des états de polarisation[modifier | modifier le code]

Il peut être nécessaire de représenter mathématiquement un état de polarisation de lumière, par exemple, afin de suivre son évolution à travers un système optique. On peut notamment utiliser :

Aspect corpusculaire[modifier | modifier le code]

Toutes les explications ci-dessus sont données dans le cadre de l'optique physique. Cependant, la polarisation peut également être expliquée en utilisant l'aspect corpusculaire de la lumière.

La lumière est composée de photons possédant un spin de 1. La physique quantique nous enseigne donc que pour un photon, la projection sur un axe de son spin peut uniquement prendre les valeurs -1, 0 ou +1. Cependant, la valeur 0 est interdite par la théorie quantique des champs car la masse du photon est nulle. Les deux états propres correspondent donc soit à la valeur propre +1 (polarisation circulaire droite) ou à la valeur propre -1 (polarisation circulaire gauche). Conformément à la physique quantique, l'état de polarisation du photon est une combinaison linéaire de ces 2 états propres, ce qui permet de définir les polarisations rectilignes et elliptiques.

Effets physiques sur la polarisation[modifier | modifier le code]

Polarisation après réflexion[modifier | modifier le code]

La réflexion de la lumière sur certains matériaux transforme sa polarisation. Un exemple important est celui de la réflexion vitreuse qui fait que l'on voit des reflets sur les fenêtres. Cette réflexion n'est pas identique selon la polarisation de la lumière incidente sur le verre. Pour le comprendre, on décompose la polarisation de la lumière en deux polarisations rectilignes orthogonales entre elles, notées s et p. La polarisation s est perpendiculaire au plan d'incidence, et la polarisation p est contenue dans ce plan.

Polarisation s
Polarisation p
Sur ces deux images, la plaque épaisse est le matériau réfléchissant, et la plaque fine est le plan d'incidence (fictif).

La lumière est plus ou moins réfléchie selon qu'elle est polarisée s ou p, et selon l'angle d'incidence. Cela permet, par exemple, au photographe, d'éliminer une grande partie des reflets sur une vitrine lorsqu'il veut photographier ce qu'il y a derrière. Pour cela, il suffit de placer un polariseur devant l'appareil photo, et de se placer au bon angle de vue, appelé angle de Brewster.

La réflexion sur les métaux a également un effet sur la polarisation.

Autres effets physiques[modifier | modifier le code]

Les ondes présentant une polarisation peuvent subir différents effets :

  • Un polariseur par absorption permet de transformer une lumière quelconque en une lumière polarisée rectilignement.
  • La biréfringence est une propriété de certains matériaux qui séparent un rayon lumineux en deux rayons de polarisations différentes. Un exemple important en optique est la lame à retard.
  • Les matériaux présentant un pouvoir rotatoire peuvent faire tourner la polarisation. Cela permet, en chimie, de différencier les molécules chirales entre elles.

La polarisation dans la nature, la science et la technologie[modifier | modifier le code]

Dans la vie de tous les jours[modifier | modifier le code]

La même image prise avec filtre polariseur (à gauche), et sans (à droite).
La même image prise avec filtre polariseur (à gauche), et sans (à droite).

Les matériaux transparents et brillants réfléchissent en partie la lumière. Selon l'angle d'observation, cette lumière réfléchie est plus ou moins polarisée. En la regardant derrière un polariseur, ou des lunettes de soleil polarisantes, on peut voir des variations de l'intensité lumineuse.

La lumière du ciel est également polarisée en partie. C'est pour cela que les photographes utilisent des polariseurs afin d'assombrir le ciel sur les photographies, et augmenter le contraste. Cet effet est bien visible au coucher du soleil : à 90° du soleil, la lumière est particulièrement polarisée. D'autre part, la réflexion sur une surface horizontale (mer, glace) polarise la lumière horizontalement. C'est pour éliminer ces reflets que les pêcheurs et les alpinistes utilisent des lunettes de soleil polarisantes (constituées d'un filtre polarisant vertical).

En biologie[modifier | modifier le code]

Karl von Frisch a montré en 1949 que les abeilles s'orientent grâce à leur perception de la polarisation de la lumière. Elles l'utilisent aussi pour communiquer lors de leur danse communicative. Les mécanismes de cette perception ont notamment été étudiés par Rossel et Waterman, dans les années 1980.
À partir des années 1970-1980, on montre que certains insectes aquatiques disposent aussi d'un mécanisme de vision sophistiqué capable de percevoir la polarisation de la lumière (ultraviolet dans le cas du Notonecte glauque), via une rétine spéciale ou d'autres moyens, sous l'eau ou hors de l'eau. C'est le cas chez les Dolichopodidae (trujillo-Cenoz & Bernard, 1972), chez des gerridae (schneider & Langer 1969) ou chez les libellules (Laughlin, 1976, Laughlin et McGinness, 1978) et chez beaucoup d'autres insectes des zones humides, par la suite. On montre alors aussi que certains matériaux fabriqués par l'homme (ex: bâches plastiques noires, pétrole, peinture émaillée, certaines vitres...) polarisent la lumière UV et du soleil ; ils perturbent ces insectes qui confondent notamment des surfaces polarisantes avec une surface en eau.

Finalement, de nombreux animaux (aquatiques ou vivant près de l'eau notamment), semblent percevoir la polarisation de la lumière, qu'ils peuvent utiliser pour se diriger car la polarisation de la lumière du ciel est perpendiculaire à la direction du soleil. On a aussi observé cette capacité chez certaines espèces de pieuvres, calmars, seiches, et crevette-mantes. La peau des seiches pouvant changer rapidement, et vivement colorée, est partiellement polarisée. La crevette-mante a aussi la particularité de ne pas réfléchir toutes les polarisations de la même façon.

Certains vertébrés, dont oiseaux comme les pigeons et divers oiseaux d'eau, peuvent aussi percevoir la polarisation de la lumière. Chez les espèces des zones humides (qu'elles vivent sous ou au-dessus de l'eau ou sur l'écotone air/eau) pouvoir « filtrer » ou sélectionner la lumière polarisée pourrait être une adaptation sélective importante, car permettant d'éliminer une partie de l'effet miroir créé par la surface de l'eau, et donc de mieux repérer les proies ou les prédateurs.

Le phénomène d'altération de la lumière ou de l'environnement nocturne par une lumière artificiellement ou anormalement polarisée est dit « PLP » ou « Pollution par la lumière polarisée » (ou Polarized light pollution [1] pour les anglophones). Il peut constituer un piège écologique et un puits écologique, notamment pour de nombreuses espèces des zones humides et en particulier pour les éphéméroptères.

Article détaillé : Piège écologique.

Recherche[modifier | modifier le code]

Étant donnée la facilité avec laquelle les cristaux liquides peuvent changer la polarisation de la lumière, et en utilisant la différence de polarisation de la lumière réfléchie par différent objets, on peut imaginer produire des moyens de vision/détection améliorés par la mise en œuvre de certaines polarisations. De même, si on isole les propriétés particulières de polarisation de certains matériaux, on peut imaginer créer des moyens de détection nouveaux (médecine, astronomie, capteurs...)

Géologie[modifier | modifier le code]

La lumière polarisée est utilisée en géologie dans l'observation de lames minces de roches par microscopie en lumière polarisée. C'est un outil indispensable à l'identification des minéraux constituant celles-ci. C'est le phénomène de biréfringence de certains cristaux qui la permet.

Observation en relief (3D)[modifier | modifier le code]

La lumière polarisée est utilisée pour observer des images projetées en relief, au moyen de deux projecteurs munis de polariseurs orientés « perpendiculairement » l'un à l'autre (de préférence, selon les deux diagonales). Le spectateur porte une paire de lunettes polarisantes dont les deux « filtres » sont orientés dans les directions correspondantes. Cette technologie qui, précédemment, était basée sur la polarisation linéaire, ce qui la rendait sensible à l'inclinaison des lunettes, a récemment explosé grâce au développement de polariseurs circulaires pour la lumière visible, qui ne sont plus sensibles à l'inclinaison des lunettes. De nombreux films en relief ont été ainsi montrés au public, notamment dans des parcs d'attractions (Cité des Sciences, Futuroscope, IMAX 3D (polarisation rectiligne), RealD 3D (polarisation circulaire), etc.) et dans plusieurs salles de cinéma ainsi équipées. Voir par exemple stéréoscopie.

Chimie[modifier | modifier le code]

Les composés chiraux font tourner la polarisation de la lumière les traversant. Ce pouvoir rotatoire permet de distinguer les énantiomères selon le sens dans lequel ils font tourner la polarisation.

Communications hertziennes[modifier | modifier le code]

La polarisation des ondes la plus courante dans les applications grand public, comme la télévision terrestre (analogique ou numérique) ou par satellite, est la polarisation linéaire, horizontale ou verticale. On retrouve ces deux polarités dans le domaine du Wi-Fi, du radioamateurisme et dans les transmissions professionnelles.

Les différentes composantes de la polarisation sont nécessaires pour protéger la réception de signaux de fréquences identiques ou rapprochées, car cela évite des interférences mutuelles, particulièrement lorsque les signaux parviennent dans une même direction.

Le réseau de télévision terrestre utilise principalement la polarisation horizontale (H) et donc les antennes sont horizontales. Dans certaines régions à spectre surchargé, comme les zones frontalières, par ex. l'Alsace en France, les nouveaux canaux émis sont souvent polarisés verticalement (ex. Arte, M6 et la TNT). Il faut donc là 2 râteaux pour un même émetteur. Il n'existe pas d'antenne TV à bipolarisation en UHF captant, et protégeant, à la fois les polarisations V et H. Pour recevoir 2 polarisations différentes émises par un même émetteur on utilise en complément un coupleur d'antennes UHF. Les antennes (donc leur plan) étant placées l'une verticalement et l'autre horizontalement.

En télévision par satellite c'est la tête universelle, commandée par le terminal DVB-S, ou le démodulateur, qui sélectionne le plan des polarités émises par les antennes du satellite, principalement les rectilignes H ou V. Une mauvaise sélectivité (rotation de la tête dans la bride) conduit à des dysfonctionnements.

La polarisation circulaire (intuitif : tire-bouchon) est moins utilisée; on la retrouve toutefois chez les radio-amateurs, sur le GPS et dans la majorité des appareils de transmission de salon (transmetteur AV sans fil) fonctionnant dans la Bande 2,4 GHz (bande S).

Radars et télédétection[modifier | modifier le code]

Articles détaillés : radar et radar météorologique.
Illumination de la cible avec la double polarisation. Notez la forme de la goutte

Les radars utilisent la polarisation pour extraire des informations supplémentaires à la position (obtenue grâce à la réflectivité) et au déplacement (obtenu grâce à l'effet Doppler) des cibles sondées. En effet, les intensités et déphasages entre deux faisceaux polarisés orthogonalement revenant d'une même cible peuvent révéler sa forme ou son type.

  • Si les cibles ont une forme aplatie comme dans l'image ci-contre, en sondant avec deux ondes dont l'une est de polarisation verticale (V) et l'autre horizontale (H), on obtient des intensités plus fortes revenant de celle ayant l'axe horizontal. Par contre si les retours orthogonaux sont égaux cela indique une cible ronde. Cela s'appelle la différence de réflectivité (Z_{dr}).
  • Le faisceau radar sonde un volume plus ou moins grand selon les caractéristiques de l'antenne émettrice et sa forme d'onde. Ce qui revient est l'addition des ondes réfléchies par les cibles individuelles dans le volume. Comme les cibles peuvent changer de position dans le temps les unes par rapport aux autres, l'intensité des ondes V et H ne demeure constante que si les cibles ont toute la même forme. Le rapport d'intensité entre les canaux H et V revenant de sondages successifs s'appelle le coefficient de corrélation (\rho_{hv}) et donne donc une idée de l'homogénéité ou non des cibles dans le volume sondé.
  • La phase de l'onde change lorsqu'elle traverse un milieu de densité différente. En comparant le taux de changement de phase de l'onde de retour avec la distance, la phase différentielle spécifique ou K_{dp}, on peut évaluer la quantité de matière traversée.
  • On peut également comparer le déphasage entre les retours H et V (différentiel de phase ou \phi_{dp}).

Un exemple d'utilisation est celui par les radars météorologiques. Les volumes sondés contiennent une multitude de cibles telles gouttelettes, flocons ou grêlons. Elles peuvent être toutes du même type ou être un mélange de formes et de types. En utilisant les différentes informations des ondes polarisées, on obtient donc des informations supplémentaires qui peuvent nous donner directement le type d'hydrométéores quand on les analyse en conjonction avec la réflectivité. Ceci aide même à éliminer les artéfacts indésirables comme les oiseaux ou les échos revenant des obstacles comme les montagnes.

D'autres types de radar utilisent la polarisation à différentes fins. Par exemple, le radar à synthèse d'ouverture est utilisé pour cartographier des régions par avion ou satellite et utilise la polarisation pour distinguer les types de sol, de végétation, etc.

Observations astronomiques[modifier | modifier le code]

Article détaillé : polarisation (astronomie).

L’expérience PILOT a pour but la mesure de l’émission polarisée des poussières galactiques dans l’infrarouge lointain. Au cours de la prochaine décennie, la mesure très précise de la polarisation du fond cosmologique (CMB pour Cosmic Microwave Background) sera l’un des enjeux majeurs pour la cosmologie et la physique fondamentale. L’objectif principal en sera la mesure des modes «B» du CMB, qui nous renseigneront à la fois sur le bain d’ondes gravitationnelles primordiales généré pendant la période d’inflation de l’univers qui a eu lieu dans les tout premiers instants de l’expansion, et sur la structuration de la matière après le big-bang (effet de microlentille sur le fond).

Le Département Univers Froid du Centre d'Études Spatiales des Rayonnements s’engage résolument dans cette voie, et participe activement à plusieurs projets de préparation, en particulier l’expérience ballon PILOT[2].

Écran à cristaux liquides[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Écran à cristaux liquides.
Afficheur 3 chiffres de 7 segments
1 : filtre polarisant vertical ;
2 : électrodes avant ;
3 : cristaux liquides ;
4 : électrode arrière ;
5 : filtre polarisant horizontal ;
6 : miroir ou rétro-éclairage.

Les écrans à cristaux liquides sont devenus courants depuis les années 1980. D'abord utilisés pour l'affichage monochrome sur les cadrans et montres, ils se retrouvent maintenant dans les téléviseurs, les caméras numériques et tout autre affichage grâce à leur faible encombrement, et, depuis quelques années, leur polychromie. L'écran utilise la polarisation de la lumière grâce à des filtres polarisants et à la biréfringence de certains cristaux liquides en phase nématique dont on peut faire varier l'orientation en fonction du champ électrique.

L'écran LCD (Liquid Crystal Display) est constitué de deux polariseurs dont les directions de polarisation forment un angle de 90°, de chaque côté d'un sandwich formé de deux plaques de verre enserrant des cristaux liquides. Les deux faces internes des plaques de verre comportent une matrice d'électrodes transparentes, une (noir et blanc) ou trois (couleur) par pixel. L'épaisseur du dispositif et la nature des cristaux liquides sont choisis de manière à obtenir la rotation désirée du plan de polarisation en l'absence de tension électrique.

L'application d'une différence de potentiel plus ou moins élevée entre les deux électrodes d'un pixel entraîne un changement d'orientation des molécules, une variation du plan de polarisation et donc une variation de la transparence de l'ensemble du dispositif. Cette variation de transparence est exploitée soit par un rétro-éclairage, par réflexion de la lumière incidente ou par projection.

Affichage par segments et par pixels

Les petits afficheurs LCD monochromes utilisent souvent des électrodes avant en forme de segments de caractère de façon à simplifier l'électronique (commande directe en tout ou rien) tout en obtenant une très bonne lisibilité (pas de balayage). Les affichages plus complexes, comme pour les téléviseurs, utilisent des électrodes par pixels accessibles par ligne ou colonne entières. Leur commande d'allumage ou d'extinction doit se faire par un balayage régulier des lignes ou colonnes de points.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Gábor Horváth, György Kriska, Péter Malik, Bruce Robertson. (2009) Polarized light pollution: a new kind of ecological photopollution. Frontiers in Ecology and the Environment 7:6, 317-325 [Accès Online] 2009/11
  2. Site officiel du projet PILOT.