Lumière polarisée et matèriaux à structure complex

[invitec913303f]

Bonjour, je connais la théorie de la polarisation de la lumière bien que je n'ai pas trouvé de réponces à mes questions.
Voici le contexte: J'ai placé entre deux polarieurs un matèriaux transparent et j'ai observé un phènomène de décomposition de la lumière. En effet j'utilisait une source de lumière blanche, j'airai bien aimer faire l'expérience avec d'autres source. J'ai interprété le problem de cette magnière. Touts les rayonements de me source lorsqu'ils passent dans mon premier polariseur, sont polarisé de la même magnière. En oriantant le matèriaux ou mon analyseur on observe que la couleurs change. Ainsi ma question est la suivante: Pourquoi le matèriaux transparent polarise t'il de magnière différente chaques longueurs d'onde???
J'aispaire que je me suis bien exprimer, sinon dans quel cas je me rééxpliquerais. Bien cordialement à tous.
Floris
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[invite88ef51f0]

Salut,
Si ton matériau change la polarisation de la lumière, c'est parce qu'il est biréfringent : il posséde deux indices optiques différents suivant la direction... Si en plus ton milieu est dispersif, c'est-à-dire que l'indice optique dépend de la longueur d'onde, alors on peut très bien tomber sur le cas où le matériau est plus ou moins biréfringent suivant la longueur d'onde. Donc si tu envoies de la lumière blanche, certaines composantes passeront mieux que d'autres (selon l'angle dont elles ont tournés après le passage dans le matériau qui a plus ou moins changé la polarisation), et donc tu obtiendras une lumière colorée en sortie...

[invitec913303f]

Oui, je te remerci beaucoup pour ces explications. Esque tu pourrai me dire comment sont construise les molécules qui polarisent la lumière??
Bien cordialement
floris

[invite88ef51f0]

Ca dépend...
Le cas le plus courant est qu'en fait il s'agit d'un cristal anisotrope : ça signifie que toutes les directions ne sont pas équivalentes et qu'il y a un axe privilégié (axe cristallographique). D'ailleurs, si tu prends un cristal isotrope (qui n'est pas biréfringent car toutes les directions sont équivalentes) et que tu appliques une force dessus, le cristal va se déformer suivant une direction et devenir biréfringent (la différence entre les indices optiques est d'ailleurs proportionnelle à la contrainte exercée).
Sinon, il y a d'autres cas de matériaux polarisants, mis à part les matériaux biréfringents. Je pense notamment à des polariseurs Kodak qui sont constitués de longues molécules toutes alignées dans une direction. Dans cette direction elles n'absorbent (quasiment) pas la lumière alors que dans la direction perpendiculaire elles absorbent (quasiment) totalement (il s'agit en fait de longues chaînes carbonées avec des groupements greffés dessus choisis intelligemment). En fin de compte, à partir de n'importe quelle lumière (polarisée ou pas), tu obtiens une lumière polarisée (quasiment) rectilignement (dans le sens des molécules).

[A voir en vidéo sur Futura]

[invitec913303f]

Ah merci beaucoup pour ces explication très interessantes. J'avait justement entendu parlé de ces fameuses molécules complexes. j'aimerai entrer plus profondément dans le phénomène. J'ao observer que le polarisation ne fonctionait que pour certaines longueurs d'ondes. En infra rouge, mes polariseurs ne serve a rien. Quesque qui est à l'origine de cela? Aussi comment font ces molècules pour polariser certaines longueurs d'ondes???? Merci de votre chomprèhension.
Amicalement à tous
floris

[invitea3fc981a]

Le problème c'est qu'à ma connaissance, on sait que certaines molécules polarisent la lumière, mais on ne sait pas comment...

[invite88ef51f0]

Pour les polariseurs dont j'ai parlé, c'est simplement que le matériau absorbe plus dans une direction que dans une autre, par contre dans le cas général, c'est vrai que je n'en sais rien...

[invitec913303f]

Très étrange, cette chose. Je me demande quel est la nature de la lumière non polariser, dans touts les sens. Mais ci ces le cas, il devrai y avoir des annulations??!!!!
Je pense que la propriétés de la lumière nous réserve encore des choses à cerner. En effet je pense que sa nature n'a pas completement été décrite.

[mach3]

salut

si l'infrarouge n'est pas polarisé c'est p-t tout simplement que sa longueur d'onde est plus elevé que le visible et donc son energie plus faible. l'infrarouge interagirait moins avec les molecule et ne serait pas ou peu polarisé

la polarisation de la lumiere est a mon avis du a son interaction avec les nuages electroniques des atomes ou molecules du materiau. si ceux ci ne sont pas isotrope, la lumiere n'est pas reémise de la meme facon dans toutes les directions. evidemment, pour etre reemise, il faut qu'elle soit absorbée, et pour qu'elle soit absorbé il faut que son energie corresponde au difference entre les niveau d'energie present, qui si il s'agit de liaisons sont situé dans l'UV/visible. ceci n'est qu'une extrapolation de mes connaissances dans d'autres domaines donc probablement inexact mais ca peut surement t'eclairer (en lumiere polarisée )

[invitea3eb043e]

Tu devrais essayer un manip splendide : entre polariseurs croisés, tu places un anneau sur lequel tu tends des bandes de scotch n'importe comment. Image magnifique qui change à chaque couche.

Le scotch est biréfringent parce qu'il est étiré lors de sa fabrication, ce qui a pour effet d'orienter les chaînes de polymères qui le constituent. Si les chaînes sont parallèles au ruban, elles vont absorber la lumière dont le champ électrique est parallèle au ruban (ça se passe dans l'ultra-violet puisque le scotch est transparent mais il existe une retombée dès le visible pour l'indice de réfraction).

[invitec913303f]

Merci mach3 pour ces information (polarisée lol) très intéréssantes.
Merci aussi Jeanpaul, ouai en effet j'ai fait l'expérience, j'ai bien constaté ce que tu à dit. Merci a vous tous. Dite moi, la cause de la polarisation concernant ces molécules, eseque que les électrons ociles d'une certaine magnière???

[invitea3eb043e]

Les électrons oscillent surtout dans une direction, celle des chaînes. Si elles sont orientées n'importe comment, on ne voit rien.
Cela ne vaut que pour les composés organiques (le scotch ou aussi les polariseurs), pas pour les cristaux (calcite).

[invitec913303f]

Ah ouiii??? Comment sa se passe pour les cristaux???

[invitec913303f]

Pourai-je avoir une petite réponce?
Merci à vous de votre jentilesse.
floris

[inviteffa1e107]

salut joris

ben je suis pas spécialiste mais je dirais ca :
un cristal c'est une structure périodique selon certain axes privilégiés
il doit y avoir une sorte de nuage d'électrons global qui oscille suivant les axes du cristal
mais c'est pas simple tout ca

asgrim

[invitec913303f]

Merci beaucoup, ouiii, j'ai aussi pensé sa, mais je n'étai pas sur. Je te remerci beaucoup. Avant de disparaitre, j'aimerai poser une dernière question, quel est la nature de la lumière non polarisée??? Si je fait une mesure précise à un instant T, esque je trouverai une polarisation???
Merci encore a tous
floris

[invite88ef51f0]

La lumière non-polarisée est une somme de lumière polarisées dans des directions aléatoires. Ainsi la lumière naturelle du Soleil est non-polarisée car chaque atome du Soleil émet dans une direction quelconque, il n'y a donc pas de polarisation globale.

Si je fait une mesure précise à un instant T, esque je trouverai une polarisation???

Théoriquement, oui... Mais le problème c'est que les instruments de mesure ne font pas une mesure ponctuelle mais ont forcément une plage de mesure : ils mesurent entre l'instant T et l'instant T+dt. Or cette plage de mesure est grande devant les temps caractéristiques de changement de polarisation, donc finalement tu ne mesures qu'une moyenne et la lumière ne semble pas avoir de polarisation.

[invite8c514936]

Je suis globalement d'accord avec toi Coincoin, mais je voudrais préciser un point :

Ainsi la lumière naturelle du Soleil est non-polarisée car chaque atome du Soleil émet dans une direction quelconque

Tu veux parler de direction de polarisation, pas de direction vers laquelle le photon se dirige, n'est-ce pas ?

Une remarque : au niveau des photons individuels, le processus d'émission par un atome excité ne donne pas forcément un photon polarisé linéairement. la polarisation du photon émis dépend de l'état initial et de l'état final de l'atome. C'est pareil pour l'émission lors d'une réaction nucléaire ou la diffusion d'une particule chargée.

[invite88ef51f0]

Tu veux parler de direction de polarisation, pas de direction vers laquelle le photon se dirige, n'est-ce pas ?

Oui, oui... Je me suis mal exprimé. Chaque atome du Soleil émet avec une polarisation quelconque.

[invitec913303f]

Ah oui, c'est exactement ce que je pensais, je suis rasuré maintenant.
Une autre questions que j'aimerais poser à se sujet. Le rayonement synchrotron, est t'il polarisée aussi? Je suis certain que la polarisation est dans le sens d'avencement de l'électron. Dans la même trajectoire.
Pouvez vous me dire si je me trompe???
Merci a vous tous.
floirs

[invite88ef51f0]

Je ne peux pas te dire si le rayonnement synchrotron est polarisée ou non, mais je peux te dire que tu te trompes sûrement : la polarisation est donnée par la direction au cours du temps du vecteur champ électrique, or dans le vide la résolution des équations de Maxwell (qui résument tout l'électromagnétisme) montrent que les ondes électromagnétiques sont des ondes "TEM" : Transverse Electrique Magnétique. Ca veut dire que le champs électrique et magnétique sont perpendiculaires à la direction de propagation, et qu'ils sont perpendiculaires entre eux. Bref, le champ électrique est dans le plan perpendiculaire à la direction de propagation, donc la polarisation ne peut pas être suivant cette direction.

[invitec913303f]

JE ne sait pas si je me suis bien exprimer, en fait, je voulai dire que si l'électron suit une trajectoire horisontale, la polarisation du rayonement sera de même. Je suis quasi certain qu'il est polarisé car il s'agit là d'une source fondamentale de lumière. Enfin j'attend de voir. On est jamai sur de soi, surtout moi!
Bien amicalement a tous.
floris

[invite88ef51f0]

Je pense que j'avais bien compris... et je repéte que la direction de polarisation ne peut pas être la même que le vecteur-vitesse de l'électron. La polarisation sera perpendiculaire à la trajectoire.

Je suis quasi certain qu'il est polarisé car il s'agit là d'une source fondamentale de lumière

Qu'appelle-tu "source fondamentale" ? Dans le cas d'atomes rayonnant, la lumière n'est globalement pas polarisée car comme je l'ai expliqué lil y a différentes polarisations aléatoires. Mais je ne serais pas non plus étonné si on me disait que le rayonnement synchrotron est polarisée. Mais je ne serais pas prêt à parier...

[invitec913303f]

Merci coincoin pour ces détails. Cependant j'aimerai avoir une petite précision. Quand tu dis que la polarisation est perpendiculaire à la trajectoire de l'électron, quoi exactement est perpendiculaire? D'après Maxwell, es la composante électrique ou magnétique qui sera perpendiculaire??? Merci d'avance pour ta pédagogie.

[invite88ef51f0]

En fait ce n'est pas très rigoureux ce que je dis... Il y a en fait différents types de polarisations selon l'évolution au cours du temps du vecteur champ électrique (et donc du champ magnétique aussi) : soit ce vecteur reste toujours dans la même direction et oscille dans cette direction, la polarisation est dite alors rectiligne ; soit ce vecteurs tournent et on a alors une polarisation elliptique ou circulaire, selon qu'il décrit une ellipse ou un cercle. Donc en toute rigueur je ne devrais pas dire que la polarisation est perpendiculaire à la direction de propagation, mais je devrais plutôt dire que la polarisation est rectiligne, et que le direction du champ électrique est perpendiculaire à la direction de propagation.
Pour ce qui est du champ magnétique, les équations de Maxwell permettent de le retrouver à partir du champ électrique, et tout ce que j'ai dit sur le champ électrique peut être appliqué en prenant plutôt le champ magnétique (une onde polarisée rectilignement pour le champ électrique l'est aussi pour le champ magnétique, mais dans une direction perpendiculaire).
Pour imaginer ça, prenons une onde qui se dirige vers toi. Supposons qu'elle est polarisée rectilignement et que la direction du champ magnétique est verticale. Alors il faut imaginer que le champ électrique est pointé vers le haut, diminue, s'annule, puis pointe vers le bas, etc... Le champ magnétique quant à lui sera horizontal : il pointera vers la gauche puis ira progressivement vers la droite, en restant toujours horizontal.

[invitec913303f]

Merci beaucoup coincoin, pour ces explications. Pourrai tu me dire quel paramètre va agir sur la nature de la polarisation soit rectiligne ou elliptique? Ainsi si je tes bien comprit supposons que j'ai un rayonnement en polarisation rectiligne, le vecteur électrique sera perpendiculaire à la trajectoire de notre électron et selon la théorie, la composante magnétique sera perpendiculaire à celle électrique donc parallèle à la trajectoire de l'électron. Es bien cela ????
Merci a toi
Bien amicalement
floris

[invite88ef51f0]

Pourrai tu me dire quel paramètre va agir sur la nature de la polarisation soit rectiligne ou elliptique?

Malheureusement, non... Ce qui se passe au niveau atomique pour la lumière est assez complexe et me dépasse.

donc parallèle à la trajectoire de l'électron

Et non... car il faut raisonner en 3 dimensions. Prenons un axe x qui va de la gauche vers la droite, un axe y qui va de bas en haut, et un axe z qui vient vers toi. Ces 3 axes sont perpendiculaires deux à deux, mais ils ne sont pas parallèles. Tu peux alors imaginer une onde polarisée rectilignement pour laquelle la direction de propagation est selon z, le champ électrique est selon x et le champ magnétique selon y.

[inviteffa1e107]

salut

la lumière est se définie par un champ spatiotemporel par nature vectorielle formé par le couple champ électriqueE(r,t) et le champ magnétique H(r,t)

le vecteur de poynting donne par sa direction la direction de la propagation de l'énergie(donc le sens de propagation de la lumière )et par sa norme la quantité dénergie transmis

il est proportionne au produit vectoriel des champ électrique E et magnétique H : S prop à E^H
du coup forcement E et H sont tous les deux perpendiculaire au sens de la propagation

il doit bien exister une démonstration rigoureuse mais la je l'ai pas sous le coude

en fait le plus souvent ont s'intéresse au vecteur induction magnétique D(r,t) car il est le plus significatif. Les loi de maxwel permettent de retrouver les autres champs


on décompose ce vecteur en un somme de'ondes plane monochromatiques de fréquence angulaire w et de vecteur d'onde k
l'étude de la polarisation c'est létude de l'évolution temporelle du vecteur en un point donné :
D_x(z,t)=A_x cos(wt-kz-phi_x)
D_y(z,t)=A_y cos(wt-kz-phi_y)
avec D_x et D_y les projecton sur les axes x et y (respectivement du vecteur d) et z la direction de propagation


la polarisation c'est le lieu de ce vecteur

on peut se ramener à (pour un z donné)
X(t)=D_x(z,t)=Ax cos(wt)
Y(t)=D_y(z,t) = Ay cos(wt-phi)
phi = phi_y-phi_y

pour phi = 0 ou -pi tu as
Axcos(wt) et Ay cos (wt)
soit X(t) =cte Y(t) ou X(t) = -cte Y(t)
ce lieu est un segment passant par l'origine
c'est une polarisation rectiligne

pour pi/2 et -pi/2 ton champ décrit un cercle
suivant le sens de parcours (dans le temps) du cercle la polarisation est dite circulaire gauche ou droite
pour les autres valeurs de phy le champ parcours une ellipse

voila la description de la polarisation pour toute onde plane monochromatique

sinon la lumière c'est la somme de toutes les ondes planes monochromatiques
du coup en général c'est une superposition de tous les cas possibles et donc on n'observe pas de polarisations

autant que je sache on n'as une lumière polarisée qu'avec un filatrage (polariseur /analyseur) ou bien avec une source polarisée de base : diode laser (et en prime c'est presque monochromatique)
laser (et en plus c'est cohérent)

voila sinon a la traversée d'un milieu approprié les champ sont modifié du coup la polarisation aussi et si le miluiue est ordonné on concerve une polarisation globale du faisceau

avec le électrons c'est pareil si on utilise le modèle elctromagnétique sauf que les loi de maxwel doivent pas etre touta fait identique(des truc qui apparaissent en plus, d'autre qui disparaissent peut etre, je ne sais)

sinon un source de lumière fondamentale je vois pas trop ce que c'est
a prioiri de base il n'y a pas de raison d'avoir une polarisation
dans le cas d'un laser elle peut apparaitre car les photons se dupliquent a l'identique (meme prop donc meme polarisation)
et encore faut ils que les photons initiaux ai tous la meme polarisation
en général c'est lié au matériaux de lma cavité qui fiont raisonné certain modes polarisé et "tue " les autres

sinon en matiére de caractérisation de source je ne vois que :
monochromatique ou pas monochromatique (cohérence temporelle)
cohérence ou pas cohérence spatiale (prop sur la phase de l'onde)

asgrim

[invite8c514936]

sinon un source de lumière fondamentale je vois pas trop ce que c'est
a priori de base il n'y a pas de raison d'avoir une polarisation

Alors en fait si. Au niveau fondamental du processus d'émission du photon (prenons par exemple l'émission par un atome dans un état excité), la conservation du moment angulaire total indique que le photon est émisavec une hélicité bien définie, droite ou gauche (la polarisation tourne dans un sens ou dans l'autre autour de la direction de propagation) qui dépend de l'état initial et de l'état final de l'atome. En d'autres termes les sources "fondamentales" sont polarisées, et de façon plutôt circulaire.

Pour illustrer ça, on peut faire l'exercice pour la transition entre chacun des niveaux 2p (m=-1, 0, 1) et le niveau 1s de l'atome d'hydrogène, par exemple. Rassurez-vous, je ne vais pas le faire (je me rassure moi, là... )

Et effectivement, comme l'a bien dit Coincoin, la plupart des sources dans la nature sont non polarisées car elles émettent en moyenne autant de photons droits que de photons gauches.

Pour que de la polarisation linéaire soit produite, il faut qu'un nombre macroscopique d'électrons oscillent ensemble selon la même direction (antenne, synchrotron, longues chaines carbonées dans les polaroïd, grains de poussière interstellaire en forme allongée,...).

[invitec913303f]

Merci a tous pour ces explications. Merci deep_trule pour tes précisions. En effet il me semblai bien que c'étai le cas pour le synchrotron puisque comme dans un antenne d'émission, les électron suive tous ensemble une trajectoire. J'aimerais faire une petite expérience de pensée si vous plait. Suposont que nous avond deux antennes d'émission conecter sur le même émetteur de radio donc la même fréquence d'oscilation. Cepandant je vais conecter mes deux brain d'antenne pour faire en sorte que le sens des électrons soit oposé. Dans l'antenne n°1 les électron ocilent de droite à gauche et dans l'antenne n°2 les électron ocilent de gauche à droite. Si je place les deux antennes au même endroit, je devrai avoir une annulation d'onde? Si maintenant je place les deux antennes à une certaines distance de sorte que la polarisation du rayonement de l'antenne 1 et 2 sont oposé, il devrai aussi se produir une annulation, non? D'apret moi la distance entre les deux antenne devrai bien étre égale à la longueurs d'onde. Pouvez vous me faire part de vos comentaires si cela est juste.
Merci à vous tous.
Floris