Polarisation de la lumière

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Polarisation de la lumière
Dénition Types de polarisation Polariseurs / analyseurs Les lames de phase Exemples d'applications Bibliographie
Chapitre VI
Polarisation de la lumière
Ludovic Grossard
Département Mesures Physiques, IUT du Limousin
Université de Limoges
Chapitre VI
Polarisation de la lumière
Dénition Types de polarisation Polariseurs / analyseurs Les lames de phase Exemples d'applications Bibliographie
1 Dénition
2 Types de polarisation
3 Polariseurs / analyseurs
4 Les lames de phase
5 Exemples d'applications
6 Bibliographie
Chapitre VI
Polarisation de la lumière
Dénition Types de polarisation Polariseurs / analyseurs Les lames de phase Exemples d'applications Bibliographie
1 Dénition
2 Types de polarisation
3 Polariseurs / analyseurs
4 Les lames de phase
5 Exemples d'applications
6 Bibliographie
Chapitre VI
Polarisation de la lumière
Dénition Types de polarisation Polariseurs / analyseurs Les lames de phase Exemples d'applications Bibliographie
I. Dénition
1) Le modèle de l'onde plane
tout rayonnement électromagnétique peut être
décomposé en une somme d'ondes planes
→
−
on note k le vecteur d'onde, sa norme est
égale à 2π/λ
E~
B~
~k
plan d'onde
les champs
→
−
E
et
→
−
B
sa direction correspond à la direction de
propagation de l'onde
sont perpendiculaires entre eux
et se trouvent dans le plan d'onde ou front d'onde .
−
→
− →
− →
les vecteurs ( E , B , k ) forment un trièdre direct
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I. Dénition
2) Dénition de la polarisation
Polarisation
Caractérise la direction d'oscillation du champ électrique dans un plan
orthogonal à la direction de propagation de l'onde.
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1 Dénition
2 Types de polarisation
3 Polariseurs / analyseurs
4 Les lames de phase
5 Exemples d'applications
6 Bibliographie
Chapitre VI
Polarisation de la lumière
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II. Types de polarisation
1) Polarisation rectiligne ou linéaire
la direction d'oscillation du champ électrique est constante au cours du
temps.
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II. Types de polarisation
1) Polarisation rectiligne ou linéaire
→
−
À tout instant, le vecteur champ électrique E peut être décomposé en
une somme de deux vecteurs suivant deux directions x et y
perpendiculaires choisies arbitrairement.
y
E~
−
→
Ey
~j
θ
~i
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Polarisation de la lumière
−
→
Ex
x
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II. Types de polarisation
1) Polarisation rectiligne ou linéaire
Le champ électrique s'exprime alors :
→
−
E
=
=
−
→
−
→
Ex + Ey
→
−
→
−
Ex i + Ey j
L'angle θ étant constant au cours du temps, on a :
Ex
Ey
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Polarisation de la lumière
=
=
a cos(2πν t )
b cos(2πν t )
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II. Types de polarisation
1) Polarisation rectiligne ou linéaire
a et b correspondent aux amplitudes maximales des composantes Ex
Ey ,
b
tan θ =
a
et
Les deux composantes sont en phase car leurs deux cosinus ont le
même argument,
ν est la fréquence d'oscillation de la lumière.
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II. Types de polarisation
2) Polarisation circulaire
la direction d'oscillation du champ électrique évolue au cours du
temps.
−
→ −
→
Les deux composantes Ex et Ey n'oscillent plus en phase
on note ϕ déphasage entre ces deux composantes.
on considère qu'elles ont même amplitude (a = b ).
On a alors :
Ex
Ey
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=
=
a cos(2πν t )
a cos(2πν t + ϕ)
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II. Types de polarisation
2) Polarisation circulaire
Si ϕ = ±π/2, on parle alors de polarisation circulaire et on reconnaît
alors l'équation paramétrique d'un cercle :
Ex
Ey
y
=
=
a cos(2πν t )
a cos(2πν t + π/2)
M
−
→
Ey
2a
E~
O −
E→
x
x
Au cours du temps, l'extrémité
→
−
M du vecteur E décrit un
cercle,
ϕ = π/2 : tourne dans le sens
horaire lorsque l'on voit arriver
l'onde sur soi,
ϕ = −π/2 : sens antihoraire
2b
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II. Types de polarisation
3) Polarisation elliptique
On considère maintenant que les deux composantes
amplitudes diérentes.
Ex
Ey
=
=
Ex
et
Ey
ont des
a cos(2πν t )
b cos(2πν t + φ)
avec ϕ = ±π/2.
L'extrémité M du champ électrique décrit maintenant une ellipse, dans le
sens horaire si ϕ = π/2, et antihoraire si ϕ = −π/2.
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II. Types de polarisation
3) Polarisation elliptique
y
M
−
→
Ey
2a
−
→
E
O
2b
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Polarisation de la lumière
−
→
Ex
x
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II. Types de polarisation
3) Polarisation elliptique
Le rapport d'ellipticité ρ est donné par :
ρ=
b
a
si
a>b
et ρ =
a
b
si
b>a
compris entre 0 et 1
vaut 0 pour le cas particulier d'une polarisation rectiligne
vaut 1 pour le cas particulier d'une polarisation circulaire.
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II. Types de polarisation
3) Polarisation elliptique
Remarque : ϕ quelconque (mais constant au cours du temps) :
polarisation elliptique, mais dont les axes ne correspondent plus aux axes
x et y .
y
x
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II. Types de polarisation
4) Polarisation naturelle
Lumière naturelle : succession de vibrations elliptiques dont la forme,
l'orientation et la phase changent de façon aléatoire plusieurs
milliards de fois par seconde.
composantes Ox et
aléatoirement.
Oy
indépendantes, a,
Ce sont des vibrations incohérentes.
Chapitre VI
Polarisation de la lumière
b et ϕ évoluent
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II. Types de polarisation
4) Polarisation naturelle
puissance lumineuse proportionnelle à la valeur moyenne temporelle :
P ∝ hEx iτ + hEy iτ
2
2
= constante
avec τ le temps de réponse du détecteur
Les deux composantes contribuent pour moitié chacune à la puissance
lumineuse totale de la lumière naturelle :
Px = Py
=
P
0
2
∝ hEx2 iτ = hEy2 iτ
Ce type de polarisation est celui de la plupart des sources lumineuses qui
nous entourent (étoiles, lampes à incandescence. . .).
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1 Dénition
2 Types de polarisation
3 Polariseurs / analyseurs
4 Les lames de phase
5 Exemples d'applications
6 Bibliographie
Chapitre VI
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III. Polariseurs / analyseurs
1) Polariseurs
Polariseurs
Composant qui sélectionne dans la lumière incidente la composante de
direction parallèle à sa direction privilégiée.
arrête les vibrations perpendiculaires à cette direction
génère une lumière polarisée rectilignement.
P
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III. Polariseurs / analyseurs
2) L'analyseur
Analyseur
Dispositif capable de déterminer si une lumière est polarisée rectilignement
ou non, et si c'est le cas, de déterminer sa direction de polarisation.
Un analyseur est tout simplement un polariseur dans lequel on fait
traverser la lumière à analyser.
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III. Polariseurs / analyseurs
2) L'analyseur
A
Si, pour une orientation particulière de l'analyseur, on observe une
extinction de lumière en sortie, c'est que la lumière incidente est polarisée
rectilignement dans une direction perpendiculaire à l'axe de l'analyseur.
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III. Polariseurs / analyseurs
3) Loi de Malus
laser
P
−
→
E1
P0
θ
A
−
→
E2
P1
P2
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Polarisation de la lumière
photodiode
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III. Polariseurs / analyseurs
3) Loi de Malus
P sélectionne la composante verticale de la polarisation du champ
incident : P1 = P0 /2.
Lors de la traversée de l'analyseur, seule la projection du vecteur E~1
est transmise
~ 2 k = kE
~ 1 k · cos θ
kE
soit en puissance optique :
P
2
~ 1 k2 · cos2 θ >τ =< kE
~ 1 k2 >τ · cos2 θ
~ 2 k2 >τ =< kE
=< kE
La loi de Malus s'écrit donc :
P
2
Chapitre VI
Polarisation de la lumière
= P1 · cos2 θ
(6.1)
Dénition Types de polarisation Polariseurs / analyseurs Les lames de phase Exemples d'applications Bibliographie
1 Dénition
2 Types de polarisation
3 Polariseurs / analyseurs
4 Les lames de phase
5 Exemples d'applications
6 Bibliographie
Chapitre VI
Polarisation de la lumière
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IV. Les lames de phase
1) Généralités
Matériau biréfringent
Matériau caractérisé par deux indices de réfraction associés à deux directions de polarisation perpendiculaires
Cristal de calcite montrant le phénomène de double réfraction.
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IV. Les lames de phase
1) Généralités
polarisation incidente
axe lent
cette composante du
champ verra un indice
de réfraction nlent
nlent
axe rapide
nrapide
cette composante du
champ verra un indice
de réfraction nrapide
z
e
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Polarisation de la lumière
δ = e (nlent − nrapide )
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IV. Les lames de phase
1) Généralités
diérence de marche à la sortie de la lame :
δ = e (nlent − nrapide )
soit une diérence de phase égale à :
Φ=
2πδ 2π e (nlent − nrapide )
=
λ
λ
À la sortie, on recombine les deux vibrations.
La résultante peut être rectiligne, circulaire ou plus généralement
elliptique suivant la valeur de Φ.
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IV. Les lames de phase
2) Lame demi-onde
Lame demi-onde
δ = e (nlent − nrapide ) =
λ
2πδ
soit Φ =
=π
2
λ
Une des deux composantes subit un déphasage de π
la vibration de cette composante change de signe.
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IV. Les lames de phase
2) Lame demi-onde
θ
axe lent
axe rapide
e
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Polarisation de la lumière
λ/2
−θ
z
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IV. Les lames de phase
2) Lame demi-onde
Chapitre VI
Polarisation de la lumière
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IV. Les lames de phase
2) Lame demi-onde
Rôle d'une lame demi-onde
faire tourner la direction de polarisation d'un rayonnement lumineux polarisé rectilignement.
θ
axe lent
axe rapide
e
λ/2
−θ
z
La bissectrice de l'angle formé par les polarisations initiale et nale
correspond à un axe neutre de la lame.
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IV. Les lames de phase
3) Lame quart d'onde
Lame quart d'onde
δ = e (nlent − nrapide ) =
λ
2πδ π
soit Φ =
=
4
λ
2
Une des deux composantes subit un déphasage de π/2
Si on considère une lumière incidente polarisée linéairement, on
obtient en sortie une polarisation elliptique.
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IV. Les lames de phase
3) Lame quart d'onde
Si θ = 45◦ par rapport aux axes de la lame, polarisation circulaire en
sortie de lame.
Rôle d'une lame quart d'onde
générer une polarisation elliptique ou circulaire à partir d'une polarisation
rectiligne.
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1 Dénition
2 Types de polarisation
3 Polariseurs / analyseurs
4 Les lames de phase
5 Exemples d'applications
6 Bibliographie
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V. Exemples d'application
Télévision 3D
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V. Exemples d'application
Photographie
Un polariseur ltre le bleu du ciel
et augmente le contraste avec les nuages.
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1 Dénition
2 Types de polarisation
3 Polariseurs / analyseurs
4 Les lames de phase
5 Exemples d'applications
6 Bibliographie
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Bibliographie
Optique moderne, Florence Weil, Technosup, ISBN 2-7298-3106-6
(BU IUT)
p. 11 14 : Approche de la polarisation
p. 28 32 : Lames de phase
Chapitre VI
Polarisation de la lumière

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