Vous pouvez porter une paire de lunettes de soleil polarisées, mais qu'est-ce que cela signifie? En quoi sont-elles différentes des autres types de lunettes de soleil et pourquoi sont-elles utiles? La polarisation, en termes de lumière, fait référence au processus d'orientation ou de filtrage des ondes lumineuses dans une seule direction, ce qui affecte ce que vous pouvez voir.
La lumière sous forme d'ondes électromagnétiques
Une onde électromagnétique est une onde transversale constituée d'une onde de champ électrique oscillant dans un plan perpendiculaire (à angle droit) à une onde de champ magnétique, les deux étant perpendiculaires à la direction de mouvement.
Étant donné que le rayonnement électromagnétique agit comme une onde, toute onde électromagnétique ou onde lumineuse particulière aura une fréquence et une longueur d'onde qui lui sont associées. Le produit de la longueur d'onde et de la fréquence est la vitesse de l'onde.
Cependant, les ondes électromagnétiques ne nécessitent pas de milieu pour se propager et peuvent donc traversent le vide de l'espace vide (ce qu'ils font à la vitesse de la lumière - la vitesse la plus rapide dans le univers).
Les ondes électromagnétiques se présentent sous de nombreuses variétés, notamment les ondes radio, les micro-ondes, le rayonnement infrarouge, la lumière visible, le rayonnement ultraviolet, les rayons X et les rayons gamma.
De plus, comme une onde électromagnétique est transversale avec une amplitude perpendiculaire à la direction du mouvement, elle peut être polarisée - il existe de nombreux plans possibles perpendiculaires à la direction du mouvement, mais une onde polarisée aura une amplitude transversale dans un seul des eux. Les ondes longitudinales telles que les ondes sonores ne se déplacent que dans la direction du mouvement et ne peuvent donc pas être polarisées.
Polarisation de la lumière
Les ondes lumineuses non polarisées ont de multiples orientations superposées. Les ondes lumineuses ont à la fois des champs électriques et magnétiques, toujours à angle droit les uns par rapport aux autres – par convention, la polarisation est définie par la direction du champ électrique. En regardant de face, nous pourrions voir les vecteurs de champ électrique pointer dans toutes les directions.
Lorsque la lumière passe à travers un polariseur ou un filtre polarisant, le filtre ne laisse passer que la partie de la lumière avec des lignes de champ électrique orientées parallèlement au filtre. En conséquence, la lumière devient polarisée – toute orientée dans la même direction. C'est la polarisation linéaire.
La lumière provenant des ampoules ou du soleil n'est pas polarisée. Les sources de lumière polarisée les plus courantes sont les lasers. Si deux filtres polarisants sont maintenus à angle droit l'un par rapport à l'autre devant une source lumineuse incidente, toute la lumière sera bloquée. Si l'angle est plus petit (45 degrés, par exemple), seule une partie de la lumière est bloquée.
Les polariseurs de lumière sont de trois types: réfléchissants, dichroïques et biréfringents. Les polariseurs réfléchissants ne laissent passer qu'une certaine polarisation de la lumière, tout en réfléchissant le reste; les polariseurs dichroïques font le contraire, ne bloquant qu'une certaine polarisation de la lumière tout en laissant passer toutes les autres. En biréfringence, différentes polarisations de lumière se réfracteront à différents angles, permettant de sélectionner différentes polarisations de lumière en fonction de la polarisation souhaitée.
La polarisation de la lumière est la façon dont les films sont projetés en 3D. Les lunettes 3D offertes aux cinéphiles ont en fait des filtres polarisants opposés dans chaque verre; un filtre horizontal à gauche et un filtre vertical à droite, par exemple. Le film est ensuite projeté sur le même écran à partir de deux projecteurs différents, l'un projetant la lumière polarisée verticalement et l'autre projetant la lumière polarisée horizontalement. L'œil gauche voit alors une image légèrement différente de celle de l'œil droit, et le cerveau combine les images pour créer une perception de profondeur.
Angle de Brewster et polarisation par réflexion
Lorsqu'un faisceau lumineux est incident sur une surface d'un matériau, une partie de la lumière est réfléchie et une partie est réfractée (elle traverse le matériau). L'angle de la lumière incidente requis pour que la lumière réfléchie et la lumière réfractée soient exactement à angle droit est appelé angle de Brewster.
Lorsque l'angle d'incidence est égal à l'angle de Brewster (dépendant des compositions des milieux sur soit côté de la surface), et la lumière incidente n'est pas polarisée, cela provoquera une polarisation linéaire de la réflexion lumière. Si la lumière incidente a une polarisation spécifique, particulière au matériau, elle sera uniquement réfractée sans aucune lumière réfléchie.
Pourquoi cela arrive-t-il? Lorsque la lumière incidente est temporairement absorbée par les atomes à la surface du matériau, les électrons des atomes du matériau oscillent. Parce que les ondes lumineuses sont transversales, la polarisation doit être perpendiculaire à la direction du mouvement de l'onde. Donc si la polarisation de l'onde incidente est dans la direction que devrait être l'onde réfléchie, l'onde réfléchie ne peut pas exister.
Si la lumière incidente n'est pas polarisée, la lumière réfléchie sera polarisée horizontalement, parallèlement à la surface réfléchissante. C'est ce qu'on appelle la lumière polarisée s. La lumière polarisée dans le plan d'incidence, ou le plan formé à partir de la direction de mouvement de la lumière incidente et d'un vecteur perpendiculaire à la surface, est dite p-polarisée.
Les lunettes de soleil polarisées utilisent le concept de l'angle de Brewster pour réduire la réflexion de la lumière du soleil sur les surfaces horizontales. Lorsque le soleil est bas dans le ciel, il y a beaucoup de lumière polarisée s dans l'éblouissement réfléchi par des surfaces comme l'eau et les routes. Les lunettes de soleil polarisées bloquent la lumière ayant cette polarisation, réduisant l'éblouissement.
Polarisation par diffusion
La diffusion de la lumière incidente sur les molécules d'air provoque une polarisation linéaire de la lumière perpendiculairement au plan d'incidence. Les molécules d'air portent leur propre petite oscillation dans une direction, connue sous le nom de moment dipolaire, et elles rayonnent de l'énergie perpendiculairement à la ligne de cette oscillation. Ainsi, si le moment dipolaire d'une molécule oscille d'avant en arrière sur le oui-axe, la lumière non polarisée incidente se dispersera dans le X-direction, polarisée dans le oui-direction (parallèle au dipôle).
Si la longueur d'onde de la lumière incidente est comparable à la taille des molécules, on parle de diffusion Rayleigh. La diffusion Rayleigh est responsable de la couleur du ciel, qu'il s'agisse du bleu profond d'une belle journée ou du rouge profond d'un coucher de soleil; les couleurs changent en fonction de l'angle d'incidence de la lumière solaire sur l'atmosphère.
Polarisation par réfraction
La polarisation peut également se produire par la réfraction ou la courbure de la lumière lorsqu'elle passe d'un milieu à un autre. Le plus souvent, la polarisation se produit perpendiculairement à la surface.
Lorsque l'indice de réfraction d'un matériau dépend de la direction incidente et de la polarisation de la lumière, il est dit biréfringent. Dans les matériaux biréfringents, un rayon lumineux incident est divisé par polarisation en deux rayons à l'intérieur du matériau, qui empruntent des chemins légèrement différents.
Certains scientifiques soupçonnent qu'un type de cristal biréfringent appelé "calcite" pourrait avoir été utilisé par les Vikings comme aide à la navigation, car ses propriétés de polarisation réfractive pourraient être utilisées pour localiser le soleil par temps nuageux, ou même en dessous de la horizon.
Polarisation circulaire
La polarisation circulaire est un état de polarisation dans lequel la direction du champ électrique tourne circulairement avec le temps à une vitesse constante dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation. Cela peut être imaginé comme le vecteur de champ électrique dessinant une hélice autour de l'axe de propagation au fur et à mesure que l'onde se propage. (La polarisation elliptique, dans laquelle l'hélice est légèrement écrasée dans une dimension, est également possible.)
Si, en regardant dans la direction de la source lumineuse, le vecteur de champ électrique semble tourner dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, la lumière est dite polarisée circulairement à droite. Si le vecteur semble tourner dans le sens des aiguilles d'une montre, la lumière est dite polarisée circulairement à gauche.
La polarisation circulaire est créée par deux ondes lumineuses polarisées linéairement, polarisées perpendiculairement l'une à l'autre et se propageant chacune à 90 degrés hors phase. La polarisation elliptique se produit lorsque l'une de ces ondes lumineuses a une amplitude plus petite que l'autre, créant une ellipse plutôt qu'un cercle.