La polarisation circulaire d'un rayonnement électromagnétique est une polarisation où la norme du vecteur du champ électrique ne change pas alors que son orientation change selon un mouvement de rotation.
En électrodynamique la norme et la direction d'un champ électrique sont représentés par un vecteur comme on peut le voir dans l'animation ci-contre. Dans le cas d'une onde polarisée circulairement, les vecteurs d'un champ électrique, à un point donné dans l'espace, décrivent un cercle en fonction du temps. Si l'on observe l'onde à un moment donné, le vecteur du champ électrique de l'onde décrit un mouvement hélicoïdal le long de la direction de propagation.
La polarisation circulaire est un cas particulier de la , tout comme la .
Le phénomène de polarisation se présente comme une conséquence du fait que la lumière se comporte comme une onde transversale à deux dimensions.
Convention du sens horaire/anti-horaire
La polarisation circulaire peut être définie dans le sens horaire ou anti-horaire, selon la direction dans laquelle le vecteur champ électrique tourne. Deux conventions historiques opposées existent.
Du point de vue de la source Avec cette convention, la polarisation est définie du point de vue de la source. Lors de l'utilisation de cette convention, le sens horaire ou anti-horaire est déterminé en pointant le pouce droit ou gauche à l'opposé de la source, dans la même direction que la propagation de l'onde. Si ce sont les doigts de la main droite qui tournent dans le même sens que le champ, alors la polarisation est horaire, tandis qu'elle est anti-horaire si ce sont les doigts de la main gauche qui pointent dans la même direction que le champ.
Avec cette convention, le vecteur champ électrique onde polarisée circulairement est défini comme suit :
Comme exemple spécifique, reportez-vous à l'onde polarisée circulairement dans la première animation. Grâce à cette convention où l'onde est définie comme étant dans le sens horaire parce que quand on pointe son pouce de la main droite dans la même direction de propagation de l'onde, les doigts de la main pointent dans le même sens de rotation du champ dans le temps (règle de la main droite). Il est considéré comme étant une polarisation circulaire dans le sens horaire en fonction du point de vue de la source, en regardant dans la même direction de propagation de l'onde, le champ tourne dans le sens horaire. La seconde animation est celle de la lumière dans le sens anti-horaire avec cette même convention.
Cette convention est conforme aux standards de l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) et, par conséquent, elle est généralement utilisée dans la communauté des ingénieurs IEEE Std 149-1979 (R2008), «IEEE Standard Test Procedures for Antennas". Reaffirmed December 10, 2008, Approved December 15, 1977, IEEE-SA Standards Board. Approved October 9, 2003, American National Standards Institute. . , sec. 11.1, ."the sense of polarization, or handedness... is called right handed (left handed) if the direction of rotation is clockwise (anti-clockwise) for an observer looking in the direction of propagation» Electromagnetic Waves & Antennas – S. J. Orfanidis: Footnote , «most engineering texts use the IEEE convention and most physics texts, the opposite convention.» Electromagnetic Waves & Antennas – S. J. Orfanidis Pg 44 «Curl the fingers of your left and right hands into a fist and point both thumbs towards the direction of propagation»
Les physiciens quantiques utilisent également cette convention de sens car elle est conforme à leur convention de sens pour le spin d'une particule Lectures on Physics Feynman (Vol. 1, ch.33-1) «If the end of the electric vector, when we look at it as the light comes straight toward us, goes around in an anti-clockwise direction, we call it right-hand circular polarization.... Our convention for labeling left-hand and right-hand circular polarization is consistent with that which is used today for all the other particles in physics which exhibit polarization (e.g., electrons). However, in some books on optics the opposite conventions are used, so one must be careful.".
Les radioastronomes utilisent aussi cette convention conformément à la résolution adoptée en 1973 par l'Union astronomique internationale IAU General Assembly Meeting, 1973, Commission 40 (Radio Astronomy/Radioastronomie), 8. POLARIZATION DEFINITIONS -- «A working Group chaired by Westerhout was convened to discuss the definition of polarization brightness temperatures used in the description of polarized extended objects and the galactic background. The following resolution was adopted by Commissions 25 and 40: 'RESOLVED, that the frame of reference for the Stokes parameters is that of Right Ascension and Declination with the position angle of electric-vector maximum, q, starting from North and increasing through East. Elliptical polarization is defined in conformity with the definitions of the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE Standard 211, 1969). This means that the polarization of incoming radiation, for which the position angle, q, of the electric vector, measured at a fixed point in space, increases with time, is described as right-handed and positive.'".
Du point de vue du receveur Dans cette convention alternative, la polarisation est définie du point de vue du récepteur et est exactement l'inverse de la première. Ainsi, le sens horaire ou anti-horaire est déterminé en pointant respectivement le pouce de la main gauche ou droite vers la source, à l'opposé de la direction de propagation, puis la direction où les autres doigts de la main pointe indique le sens de rotation du vecteur champ électrique dans le temps.
Lorsque cette convention est utilisée, contrairement à l'autre convention, le sens de l'onde correspond au sens de la nature de type « tire bouchon » du champ dans l'espace. Plus précisément, si l'on observe une onde de sens horaire à un point donné dans le temps, quand on courbe les doigts de sa main droite autour de l'hélice, le pouce pointe dans la direction dans laquelle l'hélice progresse donnant ce sens de rotation.
Beaucoup de manuels d'optique utilisent cette seconde convention Polarization in Spectral Lines. 2004 E. Landi Degl’innocenti, M Landolfi Section 1.2 «When... the tip of the electric field vector rotates clockwise for an observer facing the radiation source... (it will be considered)... positive (or righthanded) circular polarization, Our convention... agrees with those proposed in the classical textbooks on polarized light by Shurcliff (1952) and by Clarke and Grainger (1971). The same convention is also used, although with some few exceptions, by optical astronomers working in the field of polarimetry. Many radio astronomers, on the other hand, use the opposite convention. HANDBOOK OPTICS Volume I, Devices, Measurements and Properties, Michael Bass Page 272 Footnote: «Right-circularly polarized light is defined as a clockwise rotation of the electric vector when the observer is looking against the direction the wave is traveling." ainsi que l'Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA).
Utilisation des deux conventions Comme indiqué précédemment, il y a beaucoup de confusion en ce qui concerne ces deux conventions. En règle générale, l'ingénierie, la physique quantique, la radio et les communautés astronomiques utilisent la première convention, où l'onde est observée du point de vue de la source, alors que dans de nombreux manuels de physique optique, la seconde convention est utilisée, donc la lumière est observée à partir du point de vue du récepteur.
Pour éviter toute confusion, il est utile de préciser «tel que vue du point de vue de la source» ou «tel que défini à partir du point de vue du récepteur» lors de l'examen des questions de polarisation.
Par convention, on parle de polarisation circulaire droite (ou « right-handed » en anglais) lorsque le champ tourne dans le sens horaire selon le point de vue choisi, et de polarisation circulaire gauche (left-handed) dans le cas inverse.
Description générale
À droite se trouve une illustration des vecteurs champ électrique d’une onde électromagnétique polarisée circulairement. Le champ électrique de ces vecteurs a une norme constante, mais sa direction change selon un mouvement de rotation. Étant donné qu'il forme une onde plane, chaque vecteur représente la norme et la direction du champ électrique pour un plan entier qui est perpendiculaire à l’axe. deux images dans l’article sur les ondes planes pour mieux illustrer le concept.
Cette lumière est considérée comme étant polarisée circulairement vers la droite. C'est-à-dire, dans le sens horaire vu du récepteur. Étant donné que c'est une onde électromagnétique, chaque vecteur champ électrique possède un vecteur champ magnétique correspondant, mais non illustré. Celui-ci est à angle droit avec le vecteur champ électrique et est proportionnel à sa norme. En conséquence, le vecteur champ magnétique se trace une seconde hélice s'il est exposé.
La polarisation circulaire est souvent utilisée dans le domaine de l'optique. Dans cette section, l'onde électromagnétique sera simplement appelée lumière.
La nature de la polarisation circulaire, et sa relation avec les autres sortes de polarisations, est souvent comprise comme étant le champ électrique qui se divise en deux composantes qui sont à angle droit l'un par rapport à l'autre (voir la seconde illustration à droite). La composante verticale et son plan correspondant sont illustrés en bleu alors que la composante horizontale et son plan sont illustrés en vert.
La composante horizontale de la droite (par rapport à sa direction de propagation) devance la composante verticale par un quart de longueur d'onde. C'est cette relation de phase en quadrature qui crée l'hélice et amène les points d'amplitude maximale de la composante verticale en correspondance avec les points d'amplitude zéro de la composante horizontale, et vice versa. Le résultat de cet alignement est qu'il existe des vecteurs de sélection, correspondants à l'hélice, ce qui concorde exactement au maximum des composantes horizontales et verticales. (Pour minimiser l'encombrement visuel, seuls les vecteurs d'hélice sont affichés.) Pour illustrer comment ce déphasage en quadrature correspond à un champ électrique qui tourne tout en maintenant une ampleur constante, imaginez un point qui voyage dans le sens horaire sur un cercle. Examinez comment les déplacements verticaux et horizontaux du point, par rapport au centre du cercle, varient de façon sinusoïdale dans le temps et sont déphasés par quart d'un cycle. Les déplacements sont censés être en opposition de phase par un quart d'un cycle, car le déplacement horizontal maximum (vers la gauche) atteint un quart de cycle avant que le déplacement vertical maximum l'atteigne. Maintenant, en se référant à nouveau à l'illustration, imaginez que le centre du cercle qui vient d'être décrit se déplace le long de l'axe de l'avant vers l'arrière. Le point encerclant va tracer une hélice avec le déplacement vers la gauche de notre vision, entraînant le déplacement vertical. De même que les déplacements horizontaux et verticaux du point de rotation sont déphasés d'un quart d'un cycle dans le temps, l'amplitude des composantes horizontale et verticale du champ électrique sont déphasées d'un quart de longueur d'onde.
La paire d'illustrations suivante est celle de la lumière polarisée circulairement dans le sens anti-horaire lorsqu'elle est vue par le récepteur. Puisque c'est dans le sens anti-horaire, la droite (par rapport à la direction de diffusion) de la composante horizontale se situe maintenant derrière la composante verticale par un quart d'une longueur d'onde plutôt que de la diriger.
Inversion du sens par déphasage