Se polariser avec la lumière

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Lycée Guez de Balzac
Angoulême

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Se polariser avec la lumière
Introduction
Alors que l’œil humain en est incapable, beaucoup d’animaux perçoivent la polarisation
des ondes lumineuses notamment pour s’orienter. Mieux des céphalopodes comme la
seiche peuvent contrôler et moduler la polarisation de la lumière réfléchie sous l’eau par
leur peau, qui sans changer de couleur, peut ainsi renvoyer une information à un œil
capable de détecter les variations de polarisation de la lumière pour communiquer
secrètement avec leurs congénères ou échapper à des prédateurs.
Est- ?
Avant de répondre à cette problématique, on se propose d’aborder quelques notions sur
la lumière polarisée, phénomène n’ayant jamais été étudié au lycée.
1. Nature de la lumière
La lumière est une onde électromagnétique. Elle correspond à la propagation simultanée
dans l’espace d’un champ électrique  et d’un champ magnétique  . Ces champs sont
perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation. Le plan
contenant  et  est appelé le plan d’onde. Le vecteur champ électrique  caractérise
l’état de polarisation de l’onde.
Si la direction du champ électrique (et donc du champ magnétique) est fixe au cours du
temps par rapport à la direction de propagation, on dit que la lumière est polarisée
rectilignement
électromagnétique
polarisée rectilignement

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Une onde est polarisée rectilignement si  a une direction bien définie dans
l’espace. L’extrémité du vecteur  décrit un segment de droite dans le plan
d’onde.
Lumière naturelle
La lumière issue du soleil, des lampes à incandescence,… est dite non polarisée ou
incohérente : cela veut dire que le champ électrique a une direction qui varie
aléatoirement dans le plan d’onde.
Maintenant que nous avons une idée de ce qu’est la lumière polarisée l’étape logique
suivante est de comprendre comment la produire, la modifier et la manipuler afin qu’elle
corresponde à nos besoins.
On se propose d’étudier sommairement les quatre processus qui permettent d’obtenir
une lumière polarisée : le dichroïsme ou absorption différentielle, la réflexion, la
diffusion et la biréfringence.
Un dispositif optique qui, recevant de la lumière naturelle, produit une forme quelconque
de lumière polarisée, est un polariseur.
2. Polarisation par dichroïsme
a. Filtre 
Il y a plusieurs façons d’obtenir une source de lumière polarisée. Le plus simple et le plus
économique consiste à utiliser une feuille polarisante souvent appelée, par abus de
langage, filtre “Polaroïd” (c’est une marque déposée). Il s’agit d’une feuille constituée de
longues molécules toutes orientées dans la même direction et figées dans une matrice
plastique. Ces molécules absorbent efficacement une onde lumineuse dont le champ
électrique oscille parallèlement à la direction des molécules. Par contre, ces molécules
sont quasiment sans effet sur une onde lumineuse polarisée perpendiculairement aux
molécules. Ainsi, l’absorption lumineuse dépend de la polarisation : on parle alors de
dichroïsme .
On peut donc fabriquer, à l’aide d’une feuille polarisante, un polariseur c’est-à-dire un
système optique qui ne laisse passer que la lumière qui vibre dans une direction fixée :
tous les rayons émergeants vibrent dans le même plan et la lumière est polarisée
rectilignement.

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Ces systèmes présentent l’inconvénient d’atténuer sensiblement le champ suivant la
direction passante.
b. 
Envoyons un faisceau de lumière naturelle cylindrique sur un polariseur. Quelle que soit
l’orientation du polariseur rectiligne, l’éclairement de la tache sur l’écran reste constant.
On montre que l’intensité transmise vaut théoriquement la moitié de l’intensité avant le
polariseur.
Le polariseur apparaît gris car il absorbe la moitié de la lumière incidente.
lampe
condenseur
diaphragme
lentille
polariseur
écran

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c.        
rectilignement
Un polariseur est appelé analyseur lorsqu’il agit sur une lumière déjà polarisée.
En tournant l'analyseur dans son propre plan, on observe que l'éclairement varie entre
un éclairement maximal et l'extinction totale du faisceau transmis. Cette extinction se
produit chaque fois que les directions de (P) et (A) sont croisées.
S’il est possible d’éteindre une onde lumineuse au moyen d’un analyseur, celle-ci est
polarisée rectilignement.
d. Analogie mécanique du phénomène
Considérons une corde horizontale tendue passant à travers une fente étroite
perpendiculaire à la corde. Donnons à l’extrémité de la corde, un mouvement vibratoire
vertical. Nous constatons que :
Si la fente est verticale, la propagation du mouvement vibratoire se fait normalement
au-delà de la fente, avec conservation de l’amplitude.
Si la fente est horizontale, il n’y a plus de vibrations au-delà de la fente. Si l’on fait
tourner la fente de la position verticale à la position horizontale, l’amplitude des
vibrations de la corde au-delà de la fente diminue à mesure que l’angle α de la fente avec
la verticale augmente.
lampe
condenseur
diaphragme
lentille
polariseur
écran
analyseur