La lumière polarisée est le rayonnement électromagnétique qui vibre dans un seul plan perpendiculaire à la direction de propagation. La vibration dans un plan signifie que le vecteur champ électrique de l'onde lumineuse oscille parallèlement à un espace de deux composantes rectangulaires, comme c'est le cas du plan de polarisation xy.
La lumière naturelle ou artificielle est un train d'ondes de rayonnement électromagnétique dont les champs électriques oscillent de manière aléatoire dans tous les plans perpendiculaires à la direction de propagation. Lorsqu'une partie seulement du rayonnement est limitée à osciller dans un seul plan, la lumière est dite polarisée.
Une façon d'obtenir une lumière polarisée est de frapper un rayon de lumière sur un filtre polarisant, qui consiste en une structure polymère orientée dans une seule direction, permettant uniquement aux ondes qui oscillent dans le même plan de passer pendant que le reste des ondes est absorbé. ..
Le rayon de lumière qui traverse le filtre a une intensité inférieure à celle du rayon incident. Cette fonction permet de faire la distinction entre la lumière polarisée et la lumière non polarisée. L'œil humain n'a pas la capacité de faire la distinction entre l'un et l'autre.
La lumière peut être polarisée linéaire, circulaire ou elliptique selon la direction de propagation de l'onde. De plus, la lumière polarisée peut être obtenue par des processus physiques tels que la réflexion, la réfraction, la diffraction et la biréfringence..
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Lorsque le champ électrique de l'onde lumineuse oscille constamment, décrivant une ligne droite dans le plan perpendiculaire à la propagation, la lumière est dite polarisée linéairement. Dans cet état de polarisation les phases des deux composantes du champ électrique sont les mêmes.
Si deux ondes, polarisées linéairement, qui vibrent dans des plans perpendiculaires l'un à l'autre, sont superposées, une autre onde polarisée linéairement est obtenue. L'onde lumineuse obtenue sera en phase avec les précédentes. Deux ondes sont en phase lorsqu'elles présentent le même déplacement en même temps.
L'onde lumineuse dont le vecteur champ électrique oscille de manière circulaire dans le même plan perpendiculaire à la propagation, est polarisée circulairement. Dans cet état de polarisation, l'amplitude du champ électrique reste constante. L'orientation du champ électrique est dans le sens horaire ou antihoraire..
Le champ électrique de la lumière polarisée décrit des chemins circulaires avec une fréquence angulaire ω constant.
Deux ondes lumineuses à polarisation linéaire superposées perpendiculairement l'une à l'autre, avec une différence de phase de 90 °, forment une onde lumineuse à polarisation circulaire.
Dans cet état de polarisation, le champ électrique de l'onde lumineuse décrit une ellipse dans tout le plan perpendiculaire à la propagation et est orienté dans le sens horaire ou anti-horaire..
La superposition de deux ondes lumineuses perpendiculaires l'une à l'autre, l'une à polarisation linéaire et l'autre à polarisation circulaire, et avec un déphasage de 90 °, se traduit par une onde lumineuse à polarisation elliptique. L'onde lumineuse polarisée est similaire au cas de la polarisation circulaire mais avec l'amplitude du champ électrique variant.
La lumière polarisée par réflexion a été découverte par Malus en 1808. Malus a observé que lorsqu'un faisceau de lumière non polarisée frappe une plaque de verre bien polie et transparente, une partie de la lumière est réfractée lorsqu'elle passe à travers la plaque et l'autre partie est réfléchie , formant un angle de 90 ° entre le rayon réfracté et le rayon réfléchi.
Le rayon lumineux réfléchi devient polarisé linéairement lorsqu'il oscille dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation et son degré de polarisation dépend de l'angle d'incidence..
L'angle d'incidence selon lequel le faisceau lumineux réfléchi est entièrement polarisé est appelé Angle de Brewster (θB)
Si un faisceau de lumière non polarisée est incident avec l'angle de Brewster (θB) sur un empilement de plaques de verre, certaines des vibrations perpendiculaires au plan d'incidence sont réfléchies dans chacune des plaques et le reste des vibrations est réfracté.
Le résultat net est que tous les faisceaux réfléchis sont polarisés dans le même plan tandis que les faisceaux réfractés sont partiellement polarisés..
Plus le nombre de surfaces est grand, plus le rayon réfracté perdra de plus en plus d'oscillations perpendiculaires au plan. Au final, la lumière transmise sera polarisée linéairement dans le même plan d'incidence que la lumière non polarisée..
La lumière qui tombe sur de petites particules en suspension dans un milieu est absorbée par sa structure atomique. Le champ électrique induit dans les atomes et les molécules a des vibrations parallèles au plan d'oscillation de la lumière incidente..
De même, le champ électrique est perpendiculaire à la direction de propagation. Au cours de ce processus, les atomes émettent des photons de lumière qui sont déviés dans toutes les directions possibles..
Les photons émis constituent un ensemble d'ondes lumineuses diffusées par les particules. La partie de la lumière diffusée perpendiculaire au faisceau lumineux incident est polarisée linéairement. L'autre partie de la lumière diffusée dans la direction parallèle n'est pas polarisée, le reste de la lumière diffusée par les particules est partiellement polarisée.
La diffusion de particules de taille comparable à la longueur d'onde de la lumière incidente est appelée diffusion de Rayleigh. Ce type de diffusion nous permet d'expliquer la couleur bleue du ciel ou la couleur rouge du coucher de soleil..
La diffusion de Rayleigh a une dépendance inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la longueur d'onde (1 / λ4).
La biréfringence est une propriété caractéristique de certains matériaux tels que la calcite et le quartz qui ont deux indices de réfraction. La lumière polarisée biréfringente est obtenue lorsqu'un rayon de lumière tombe sur un matériau biréfringent, se séparant en un rayon réfléchi et deux rayons réfringents.
Des deux rayons réfractés, l'un s'écarte plus que l'autre oscillant perpendiculairement au plan d'incidence tandis que l'autre oscille parallèlement. Les deux rayons émergent du matériau avec une polarisation linéaire vers le plan d'incidence.
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