La polarisation est une propriété qu'ont les ondes vectorielles (ondes qui peuvent osciller selon plus d'une orientation) de présenter une répartition privilégiée de l'orientation des vibrations qui les composent. Les ondes électromagnétiques (telles que la lumière, les ondes gravitationnelles et les ondes mécaniques transverses) ont ainsi des propriétés de polarisation, tandis que les ondes longitudinales (telles que les ondes sonores) n'en ont pas.
Présentation
Dans une onde électromagnétique polarisée linéairement, le champ électrique et le champ magnétique oscillent simultanément dans des directions perpendiculaires l'une à l'autre. Par convention, la polarisation de la lumière décrit la vibration du champ électrique et quand l'onde est polarisée linéairement, ce champ oscille dans une seule direction. Quand une onde est constituée de deux composantes polarisées à 90° l'une de l'autre, et en déphasage de 90° également l'une par rapport à l'autre, sa polarisation semble tourner autour de l'axe de propagation de l'onde. On parle dans ce cas de polarisation circulaire ou elliptique (quand les deux composantes n'ont pas la même intensité). Le sens de la rotation, trigonométrique ou anti-trigonométrique, dépend du sens du déphasage entre les deux composantes et est également un paramètre clé qu'il faut mettre en regard de la biréfringence et de l'activité optique des milieux traversés. Les polarisations circulaire et linéaire sont des cas particuliers de la polarisation elliptique (selon que les deux composantes sont égales, ou qu'au contraire, la seconde composante est nulle) ; et par ailleurs, une onde de polarisation elliptique peut être vue comme la somme d'une polarisation circulaire et d'une polarisation linéaire.
Dans le cas des radio-fréquences émises par l'homme, l'onde est naturellement polarisée et cohérente. Cela est dû à la nature du processus d'émission, en particulier du fait qu'on ait un seul dispositif oscillant et une seule antenne — bien que certaines, telles que les antennes hélicoïdales, soient capables d'émettre en polarisation circulaire. Dans le cas des ondes de longueur d'onde plus courtes, par contre, (ainsi que dans la nature) il devient difficile de réaliser des émetteurs et des antennes adaptés à la longueur de l'onde, et on utilise plutôt des processus physiques naturels basés sur le comportement électromagnétique de structures atomiques ou moléculaires qui peuvent être vus comme une multitude d'antennes miniatures. Dans ce cas, la norme est d'obtenir une onde qui n'est ni polarisée, ni cohérente, et la production d'une onde polarisée nécessite des dispositions particulières.
La polarisation des ondes joue un rôle important dans de nombreux domaines scientifiques tels que l'optique, la sismologie, l'étude des ondes radiofréquences et micro-ondes. Les technologies concernées sont plus particulièrement les lasers, les télécommunications (fibrées ou non) et les radars.
Par convention, on dit que la polarisation rectiligne est verticale (polarisation verticale) lorsque le champ électrique est vertical par rapport au repère (communément le sol de la Terre) ; de même, la polarisation rectiligne est horizontale (polarisation horizontale) lorsque le champ électrique est horizontal par rapport au repère (communément le sol de la Terre).
Histoire Étienne Louis Malus découvre la polarisation en 1808« Polarisation », Gallica. et publie en 1809 un document sur sa théorie de la polarisation de la lumière.
En 1811, il est fait mention d'anneaux colorés et d'exemples de polarisation de la lumière« Séance du lundi 18 février 1811 », Procès-verbaux des séances de l'Académie (Académie des sciences), Gallica..
La notion de polarisation est reconnue par la Royal Society dans une lettre de David Browster qui en 1815, attribue la découverte de la polarisation à Malus gallica http://bnf.fr/ark:/12148/bpt6k559100/f140.image dans une lettre de David Brewster de 1815.
Théorie Explication du phénomène La manifestation la plus simple de polarisation est celle d'une onde plane, qui est une bonne approximation de la plupart des ondes lumineuses. Comme toute onde électromagnétique qui se propage, elle est constituée d'un champ électrique et d'un champ magnétique tous deux perpendiculaires à la direction de propagation :
On décide, par convention, d'ignorer le champ magnétique par la suite, car il peut être déterminé à partir du champ électrique. On considère donc uniquement le champ électrique perpendiculaire à la direction de propagation.
Considérant les deux composantes vectorielles définissant l'orientation du champ électrique et conformément à la représentation ci-dessous, la figure décrite au cours du temps par le champ électrique en un point donné peut être alors : un segment de droite, cas de la polarisation rectiligne ; une ellipse, cas de la polarisation elliptique ; un cercle, cas de la polarisation circulaire.
Les trois figures en mouvement ci-dessous illustrent, pour chacun des trois cas, l'évolution temporelle du champ électrique dans un plan d'onde fixé. Ces différentes formes définissent l'état de polarisation de l'onde : on dit que l'onde est polarisée rectilignement, elliptiquement ou circulairement.
Rectiligne Elliptique Circulaire
De plus, cette onde se propage dans l'espace, selon une direction précise, que l'on choisit verticale, perpendiculaire au plan d'onde horizontal, dans les figures ci-dessous (en trois dimensions) : ces courbes sont une représentation spatiale, instantanée, au temps fixé, des positions de la pointe de flèche du champ électrique dans tous les plans d'onde superposés verticalement le long de la propagation ; ces courbes sont construites en reportant à la distance verticale le vecteur champ qui existait dans le plan d'onde du bas à un instant passé ( est la vitesse de propagation ; on tient compte ainsi de l'effet de la propagation) : la courbe de gauche représente la polarisation rectiligne ; c'est une sinusoïde tracée dans le plan vertical, passant par la diagonale du carré bleu, en bas ; la courbe de droite représente la polarisation circulaire ; c'est une hélice qui s'enroule sur un cylindre vertical, dont la base est le cercle dessiné en perspective dans le carré du bas ; la courbe du milieu représente la polarisation elliptique ; c'est une courbe ressemblant à une hélice, tracée sur un cylindre vertical, aplati, dont la base est l'ellipse dessinée dans le carré du bas.
Rectiligne Elliptique Circulaire
On peut se figurer la propagation en faisant glisser verticalement ces représentations spatiales instantanées : un instant plus tard, ces courbes doivent être remontées de la distance .
La symétrie des fonctions de l'espace et du temps, dans les équations de propagation, fait que les mêmes courbes peuvent aussi représenter mathématiquement les variations temporelles du champ électrique, dans un plan d'onde fixé, telles que vues en mouvement dans la représentation animée ci-dessus (il suffit alors de graduer en temps l'axe vertical).
Ce phénomène s'explique grâce à l'équation de propagation de l'onde lumineuse. En décomposant le champ électrique en ses deux composantes orthogonales (en bleu et rouge sur les schémas précédents), on s'aperçoit qu'elles ont toutes deux une évolution sinusoïdale. Lorsque les deux composantes oscillent en même temps, on obtient une polarisation rectiligne. Si elles présentent un déphasage (c'est-à-dire que l'une est en retard par rapport à l'autre), alors on obtient une polarisation elliptique.
Dans le cas particulier où ce déphasage vaut 90° et que les deux composantes ont même amplitude, la polarisation est circulaire. On distingue alors les cas de polarisation circulaire gauche et circulaire droite selon le sens de l'enroulement autour du cylindre.
Cette décomposition en deux composantes orthogonales est arbitraire. Il est aussi possible, par exemple, de décomposer en deux polarisations circulaires tournant en sens contraires.
La lumière incohérente L'explication ci-dessus n'est valable strictement que pour une onde monochromatique, et plus particulièrement une lumière cohérente. Dans les autres cas, les effets sont un peu différents.
Par exemple, dans la lumière d'une lampe à filament, on observe que la lumière est polarisée aléatoirement : elle ne correspond à aucun des trois cas précédents. Cela s'explique par le fait que cette lumière est composée de trains d'ondes, courtes impulsions lumineuses ayant chacune une amplitude, une fréquence, et une polarisation aléatoires. Ainsi, ce qui est observé est une moyenne de tous ces trains d'ondes qui apparaît non polarisée.
Toutefois, la lumière incohérente peut aussi présenter, en partie, une polarisation elliptique, circulaire, ou rectiligne. Pour déterminer alors quelle est la polarisation d'une lumière, on utilise des polariseurs et des lames à retard.
Représentation des états de polarisation Il peut être nécessaire de représenter mathématiquement un état de polarisation de lumière, par exemple, afin de suivre son évolution à travers un système optique. On peut notamment utiliser : le formalisme de Jones, particulièrement adapté à la représentation d'états complètement polarisés ; les paramètres de Stokes, associés aux matrices de Mueller, qui permettent de décrire également la lumière partiellement polarisée.
Aspect corpusculaire Toutes les explications ci-dessus sont données dans le cadre de l'optique physique. La polarisation est également formulée dans le cadre de l'aspect corpusculaire de la lumière : elle émerge automatiquement de la structure des solutions de Maxwell quantifiées.
Le photon est un boson de jauge sans masse, qui ne possède pas de "spin vectoriel classique" mais possède une hélicité correspondant à la projection du moment angulaire sur le vecteur d'impulsion : .
En raison de son caractère sans masse et de l’invariance de jauge, il ne possède que deux états physiques correspondant aux hélicités +1 et −1, qui s’identifient aux polarisations circulaires droite et gauche ( ou H et V ou ..., par simple changement de base) : la polarisation correspond au choix d'un état dans l'espace vectoriel transverse 2D.
Effets physiques sur la polarisation Les ondes présentant une polarisation peuvent subir différents effets :
Polarisation par absorption
Bien que n'étant pas la première forme de polarisation dans la nature, elle joue un rôle très important dans la technologie moderne, ou elle sert entre autres à la réalisation des écrans à cristaux liquides ou de procédés de vision 3D, en pour faire disparaître des reflets ou contraster le ciel (voir paragraphe suivant, pour des expériences en physique, et d'autres choses encore). Elle est basée sur le fait qu'un matériau dont la conductivité électrique est anisotrope va absorber ou laisser passer différemment une onde électromagnétique, selon que sa composante électrique est ou non alignée avec le sens dans lequel le matériau est ou non conducteur de l'électricité. Un des moyens les plus simples de filtrer une onde électromagnétique selon sa polarisation, est de former une grille de fils métalliques alignés. Il faut cependant que le pas de la grille soit plus petit que la longueur d'onde de l'onde électromagnétique, ce qui rend la chose peu praticable avec la lumière. Pour la lumière, on utilise généralement des matériaux constitués de longues molécules polymères linéaires, qui sont ensuite étirés dans une direction, pour aligner ces molécules.
alt=expérience à 3 polarisants|vignette|Le placement d'un film polarisant (en noir) à 90° du polarisant interne de l'écran, bloque le passage de la lumière. Le placement du second polarisant à 45° entre les deux casse l'opacité.