Polarisation
La polarisation décrit l’orientation du champ électrique d’une onde lumineuse. Elle n’existe comme degré de liberté indépendant que parce que la lumière est une onde transversale : son champ oscille perpendiculairement à la direction de propagation.
Que signifie « lumière polarisée » ?
Dans une onde linéairement polarisée, le champ électrique oscille le long d’une direction fixe. Une lumière non polarisée peut être vue comme une superposition d’orientations variant rapidement et sans direction privilégiée.
Un polariseur idéal transmet la composante du champ parallèle à son axe et bloque la composante perpendiculaire.
Un polariseur linéaire idéal
Pour une lumière initialement non polarisée, un polariseur idéal transmet en moyenne la moitié de l’intensité incidente. Ce résultat vient de la moyenne de cos²θ sur toutes les orientations possibles.
Après ce premier polariseur, la lumière est polarisée selon son axe : on peut alors appliquer directement la loi de Malus à un analyseur suivant.
Loi de Malus
I = I₀ cos² θ
I₀ est l’intensité d’une lumière déjà polarisée juste avant l’analyseur et θ l’angle entre sa polarisation et l’axe de transmission de l’analyseur.
À 0°, I = I₀ ; à 45°, I = I₀/2 ; à 90°, le modèle idéal donne I = 0.
Faire varier l’angle de l’analyseur
—
La réflexion peut polariser la lumière
La lumière réfléchie par une surface non métallique peut être partiellement polarisée. C’est pourquoi des lunettes polarisantes réduisent certains reflets sur l’eau ou la route.
À l’angle de Brewster, le rayon réfléchi et le rayon réfracté sont perpendiculaires ; dans le modèle idéal, la lumière réfléchie est alors fortement polarisée dans une orientation donnée.
Trois vérifications avant d’utiliser Malus
Déterminez d’abord si la lumière incidente sur l’analyseur est déjà polarisée. Identifiez ensuite sa direction de polarisation juste avant l’analyseur. Enfin, mesurez θ entre cette direction et l’axe de l’analyseur.
Les polariseurs réels ont une transmission finie et n’éteignent pas parfaitement la composante bloquée : les résultats expérimentaux ne sont donc pas exactement 0 ou 100 %.
Exercices résolus
1. Analyseur à 60°
Une lumière polarisée de 80 W m⁻² arrive sur un analyseur à 60°. Quelle intensité est transmise ?
Solution
I = 80 cos²60° = 80 × 0,25 = 20 W m⁻².
2. Premier polariseur
Une lumière non polarisée de 100 W m⁻² traverse un polariseur idéal. Quelle intensité moyenne sort ?
Solution
Le premier polariseur transmet en moyenne la moitié : 50 W m⁻².
3. Polariseurs croisés
Une lumière polarisée traverse ensuite un analyseur idéal à 90°. Que prédit Malus ?
Solution
cos²90° = 0 : l’intensité transmise idéale est nulle.