Sciences · Physique
La polarisation de la lumière
La polarisation de la lumière désigne l’orientation de la vibration de son champ électrique. La lumière du Soleil n’est pas polarisée, mais elle le devient en partie après réflexion, ce qu’exploitent les lunettes polarisantes.
Mis à jour le 4 min de lecture
Avec des lunettes de soleil polarisantes, les reflets éblouissants sur l’eau ou sur une route mouillée disparaissent. Penchez la tête : l’écran d’une calculatrice ou d’un ordinateur devient noir. Ces effets révèlent une propriété de la lumière invisible à l’œil humain : sa polarisation. Elle découle du fait que la lumière est une onde transversale.
Une onde transversale
La lumière est une onde électromagnétique : un champ électrique et un champ magnétique oscillent perpendiculairement l’un à l’autre et perpendiculairement à la direction de propagation (voir ondes). Le champ électrique peut osciller dans n’importe quelle direction de ce plan perpendiculaire.
Le son, onde longitudinale (la vibration se fait dans la direction de propagation), ne peut pas être polarisé. Les ondes sur une corde, transversales, peuvent l’être : une corde secouée de haut en bas, passant à travers une fente verticale, transmet la vibration ; à travers une fente horizontale, elle l’arrête.
Lumière naturelle et lumière polarisée
| Type | Direction du champ électrique | Sources |
|---|---|---|
| Non polarisée (naturelle) | change au hasard très rapidement | Soleil, ampoule, flamme |
| Polarisée rectilignement | toujours dans un même plan | sortie d’un polariseur, de nombreux lasers, écrans LCD |
| Polarisée circulairement | tourne régulièrement autour de l’axe | lame quart d’onde, certaines lunettes 3D |
| Partiellement polarisée | une direction est privilégiée | lumière réfléchie, lumière du ciel bleu |
Les polariseurs et la loi de Malus
Un polariseur (filtre polarisant) ne laisse passer que la composante du champ électrique parallèle à sa direction de transmission. Une lumière naturelle qui le traverse perd la moitié de son intensité et ressort polarisée.
Si l’on place un second polariseur, appelé analyseur, l’intensité transmise dépend de l’angle θ entre leurs deux directions : c’est la loi de Malus, établie par le physicien français Étienne Louis Malus en 1809.
I = I₀ × cos² θ
| Angle entre les deux filtres | Intensité transmise |
|---|---|
| 0° | 100 % de la lumière polarisée |
| 30° | 75 % |
| 45° | 50 % |
| 60° | 25 % |
| 90° (« polariseurs croisés ») | 0 % : obscurité |
Fait étonnant : si l’on intercale un troisième filtre à 45° entre deux polariseurs croisés, un peu de lumière réapparaît (12,5 % de la lumière polarisée initiale).
Comment la lumière se polarise
Par réflexion
Malus découvre en 1808, en regardant à travers un cristal les reflets du soleil couchant sur les vitres du palais du Luxembourg, que la lumière réfléchie est polarisée. Sur une surface horizontale (eau, route, neige), la lumière réfléchie est surtout polarisée horizontalement. Elle l’est totalement pour un angle d’incidence particulier, l'angle de Brewster, d’environ 53° pour l’eau.
Les lunettes polarisantes ont des filtres à transmission verticale : elles bloquent cette lumière réfléchie polarisée horizontalement et suppriment les reflets. Les pêcheurs voient ainsi sous la surface, les skieurs et les conducteurs sont moins éblouis. Les photographes utilisent des filtres polarisants pour la même raison et pour assombrir le bleu du ciel.
Par diffusion
La lumière du ciel bleu est en partie polarisée, surtout dans la direction située à 90° du Soleil. Elle est produite par la diffusion de la lumière solaire sur les molécules de l’air (voir pourquoi le ciel est bleu). Les abeilles, les fourmis du désert et de nombreux insectes perçoivent cette polarisation et s’en servent comme d’une boussole.
Par biréfringence
Certains cristaux, comme la calcite (spath d’Islande), sont biréfringents : ils séparent un rayon en deux rayons polarisés perpendiculairement, qui se propagent à des vitesses différentes. Un texte vu à travers un cristal de calcite apparaît dédoublé. Cette propriété a été décrite par le Danois Rasmus Bartholin en 1669.
Applications
| Application | Rôle de la polarisation |
|---|---|
| Écrans à cristaux liquides (LCD) | deux polariseurs croisés encadrent des cristaux liquides qui font tourner ou non la polarisation de chaque pixel |
| Cinéma 3D | chaque œil reçoit une image polarisée différemment, filtrée par les lunettes |
| Lunettes de soleil polarisantes | suppression des reflets |
| Photoélasticimétrie | des pièces en plastique transparent, vues entre polariseurs croisés, révèlent les contraintes mécaniques sous forme de franges colorées |
| Chimie | le pouvoir rotatoire de certaines molécules, comme les sucres, fait tourner la polarisation : on en déduit la concentration (polarimétrie) |
| Télécommunications | les antennes émettent des ondes polarisées ; deux polarisations permettent de doubler les canaux |
| Astronomie | la polarisation révèle les champs magnétiques et les poussières interstellaires |
Un écran LCD de calculatrice ou de montre devient noir vu à travers des lunettes polarisantes tournées de 90° : sa lumière est polarisée, et les lunettes la bloquent.
L’histoire d’une découverte
La polarisation a joué un rôle clé dans le débat sur la nature de la lumière. En 1817, Thomas Young suggère que la lumière est une onde transversale, ce que Fresnel développe aussitôt. Cela expliquait la polarisation, inexplicable pour une onde longitudinale comme le son, et achevait d’établir la théorie ondulatoire. En 1865, Maxwell montre que la lumière est une onde électromagnétique transversale, ce qui donne à la polarisation son interprétation moderne.
Questions fréquentes
Qu’est-ce qu’une lumière polarisée ?
C’est une lumière dont le champ électrique oscille dans une direction privilégiée, au lieu de changer au hasard comme dans la lumière du Soleil ou d’une ampoule.
Comment savoir si des lunettes sont polarisantes ?
Regardez un écran d’ordinateur ou de téléphone en tournant les lunettes de 90° : si l’image s’assombrit fortement ou devient noire, les verres sont polarisants. On peut aussi observer un reflet sur l’eau, qui disparaît en partie.
Pourquoi le son ne peut-il pas être polarisé ?
Parce que c’est une onde longitudinale : la vibration se fait dans le sens de la propagation. Seules les ondes transversales, comme la lumière, ont une direction de vibration perpendiculaire à choisir.
L’œil humain voit-il la polarisation ?
Presque pas. Certaines personnes perçoivent faiblement un motif appelé « houppe de Haidinger » en regardant une lumière polarisée, mais nous n’utilisons pas cette information, contrairement aux abeilles ou aux seiches.