Création d`une polarisation linéaire

Université Paris-7 Introduction à la Photonique (M1) UFR de Physique
1/5
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 laser. Ces expériences se concentrent pour
l’essentiel sur la polarisation linéaire.
I – Polariseurs, loi de Malus
Un laser He-Ne à 633nm (rouge) est monté sur un banc optique. Son faisceau est
parallèle au banc et frappe la surface sensible d’un détecteur 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 détecteur ne sature pas : la sortie ne doit pas approcher les 9V de
la tension d’alimentation (pile interne au boîtier).
Interposer deux polariseurs (polaroïds) l’un à la suite de l’autre sur le faisceau laser, 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 "polariseur", le second "analyseur".
Observer à l’oscilloscope la puissance lumineuse détectée tout en tournant le
polariseur (ou l’analyseur) dans son plan. Mesurer le taux de transmission de l’analyseur
lorsqu’il est passant. Estimer son taux de transmission lorsqu’il est croisé avec le polariseur.
(On prendra garde à la lumière de fond : le signal fourni par le détecteur n’est pas nul quand
on obture le faisceau laser.)
Relever le signal en tension mesuré par le détecteur pour quelques (< 10) positions
angulaires de l’analyseur. Vérifier graphiquement la loi de Malus : PL  cos2 , 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 laser de l’He-Ne rouge directement sur un écran. Repérer la
position du spot lumineux. Interposer en incidence normale le cristal déplaceur polarisant ; en
laser
633nm
p
olariseur anal
y
seur
détecteur vers oscillo.

Université Paris-7 Introduction à la Photonique (M1) UFR de Physique
2/5
déplaçant l’écran, 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.
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’écran. Vérifier que ce schéma tourne en
même temps que le déplaceur polarisant autour de l’axe du faisceau laser incident.
Ôter le polaroïd et le placer avant le déplaceur polarisant. Expliquer les observations
que l’on peut faire sur l’écran 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 lame 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 laser sur la lame à peu près à l’angle de Brewster iB tel que tgiB = n.
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 lame).
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 lames de verre à la place de la lame 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 polariseur et un analyseur en position croisée (le spot sur
l’écran d’observation est éteint). Placer une lame à pouvoir rotatoire entre eux, en incidence
normale ; que se passe-t-il ? Tourner l’analyseur dans son plan en observant l’écran ; en
laser
633nm
écran
déplaceur
polarisant
laser
633nm lame de
verre
écran

Université Paris-7 Introduction à la Photonique (M1) UFR de Physique
3/5
déduire l’effet de la lame sur la polarisation du faisceau. Examiner l’influence d’une rotation
de la lame dans son plan, de son retournement ou de son inclinaison sur le faisceau.
Interpréter.
Explorer le cas où l’on place une deuxième lame, identique à la première, après le
polariseur. Conclure sur l’utilité de telles lames.
Mesurer la rotation  de la polarisation, due à la présence d’une lame après le
polariseur, pour les longueurs d’onde o fournies par les lasers He-Ne rouge, jaune et vert.
Vérifier la loi
1/
0
2
(valable pour le quartz).
III.2 Lame demi-onde
Réinstaller si besoin le laser He-Ne rouge sur le banc. Placer, en incidence normale,
une lame demi-onde à 633nm entre polariseur et analyseur croisés. Tourner la lame dans son
plan tout en observant le spot sur l’écran. Repérer les positions angulaires de la lame pour
lesquelles elle est sans effet sur la polarisation de la lumière linéaire qui la traverse.
Interpréter.
À partir de l’une de ces positions angulaires, tourner la lame d’un angle 1 (10°, par
exemple) et mesurer avec l’analyseur 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 lame optique ?
IV – Évolution de la polarisation au cours de la propagation dans un
milieux biréfringent
Faire passer le faisceau laser rouge dans un barreau cylindrique de plexiglas, le long
de son axe de symétrie cylindrique. Installer polariseur et analyseur 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’écran. Observer les positions angulaires pour lesquelles le
barreau est sans effet sur la polarisation de la lumière linéaire qui le traverse. Conclusion ?
laser
633nm
écran
p
olariseur anal
y
seur
lame à
activité
laser
633nm
écran
p
olariseur anal
y
seur
lame
demi-onde
laser
633nm
écran
p
olariseur anal
y
seur
barreau
de plexiglas

Université Paris-7 Introduction à la Photonique (M1) UFR de Physique
4/5
Pour l’une de ces positions angulaires du barreau, observer la lumière diffusée dans
une direction à 90° du faisceau laser. (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 laser 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 n2 – n1, différence entre les
indices de réfraction propres du barreau, sachant que n2 – n1 = o/a (relation que l’on
retrouvera, en dehors de la salle de TP).
Quel type de lame 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 lame inconnue
Installer polariseur et analyseur en position croisée. Placer entre eux une lame quart
d’onde à 633nm, et l’orienter de façon à aligner ses axes neutres avec les directions passantes
des polariseur et analyseur.
Ôter la lame quart d’onde. La remplacer par la lame à mesurer. Installer ses axes
neutres à 45° des directions passantes des polariseur et analyseur. (La polarisation sortant de
la lame est alors elliptique, avec des axes principaux alignés avec ceux du polariseur ; le
justifier, si besoin en dehors de la salle de TP.)
Installer la lame quart d’onde entre la lame à mesurer et l’analyseur, dans l’orientation
angulaire précédemment fixée. (La polarisation après la lame quart d’onde est linéaire ; le
justifier.)
Tourner l’analyseur 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
lame.
Nota : Il n’est possible de déterminer le signe de  (– <   ) que lorsque les axes rapide
et lent de la lame quart d’onde sont préalablement repérés (ce qui n’est pas le cas ici).
laser
633nm
écran
p
olariseur anal
y
seur
lame
quart d’onde
lame
inconnue

Université Paris-7 Introduction à la Photonique (M1) UFR de Physique
5/5
VI – Création d’une polarisation circulaire
Sur le banc optique, envoyer le faisceau du laser He-Ne rouge sur le détecteur. Placer
une lame quart d’onde à 633nm entre polariseur et analyseur croisés. Tourner la lame dans
son plan tout en observant la puissance détectée. Relever les positions angulaires pour
lesquelles la lame est sans effet sur la polarisation de la lumière linéaire qui la traverse.
À partir de l’une de ces positions, tourner la lame de 45°. (La polarisation émergeant
alors de la lame quart d’onde 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 détecteur
lorsque l’analyseur est tourné dans son plan. Interpréter.
Installer une seconde lame quart d’onde immédiatement après la première, leurs axes
neutres étant alignés ; quelle est la polarisation émergente ? Tourner ensuite la seconde lame
de 90° ; que devient la polarisation émergente ? Interpréter.
VII – Création d’une polarisation elliptique
Sur le banc optique, envoyer le faisceau du laser He-Ne rouge sur le détecteur. Placer
une lame quart d’onde à 633nm entre polariseur et analyseur croisés. Tourner la lame dans
son plan tout en observant la puissance détectée. Relever les positions angulaires pour
lesquelles la lame est sans effet sur la polarisation de la lumière linéaire qui la traverse. Faire
de même avec une seconde lame quart d’onde.
À partir de l’une de ces positions particulières, tourner la lame utilisée d’un angle
faible (5°, par ex.). Tourner l’analyseur pour repérer les directions des axes principaux de la
polarisation elliptique ainsi fabriquée. Ces directions sont-elles bien celles attendues ?
Placer la seconde lame quart d’onde après la première, avec ses lignes neutres alignées
suivant les directions principales de la polarisation elliptique. Quelle est la polarisation
émergeant de la seconde lame quart d’onde ? Le vérifier avec l’analyseur.
laser
633nm
p
olariseur anal
y
seur
lame
quart d’onde
détecteur vers oscillo.
laser
633nm
p
olariseur anal
y
seur
lame
quart d’onde
lame
quart d’onde
détecteur vers oscillo.