Pour voir comment fonctionnent les lunettes de soleil polarisées, il est commode de considérer la lumière comme une onde se déplaçant le long d’une corde. Tout comme une onde sur une corde, une onde lumineuse s’agite transversalement à sa direction de déplacement. Et tout comme une onde sur une corde, le plan dans lequel la corde oscille peut avoir différentes orientations. Par exemple, l’oscillation peut se faire de haut en bas, d’un côté à l’autre ou dans n’importe quelle combinaison de ces deux directions. Si l’on fait osciller la corde à un angle de 45 degrés, par exemple, on peut mathématiquement la décomposer en une combinaison de composantes d’oscillation horizontale et verticale en quantités égales. Une corde oscillant à 75 degrés, par exemple, a plus de composantes verticales que de composantes horizontales. L’angle d’oscillation transversale est appelé « angle de polarisation » (voir figure 1). À propos, lorsque nous disons qu’une certaine source de lumière est « non polarisée », nous voulons dire qu’elle émet des ondes à des angles aléatoires de sorte qu’en moyenne, il n’y a pas de direction de polarisation préférée. La lumière directe du soleil, les ampoules électriques et les bougies sont des exemples de sources lumineuses non polarisées. Presque aucune source naturelle de lumière n’est polarisée à la source ; la polarisation se produit après une sorte d’interaction avec la matière. Par conséquent, pour presque toutes les sources de lumière, c’est comme si on agitait la corde dans une direction transversale pour générer une onde le long de la corde, puis qu’on passait de manière imprévisible à une autre direction transversale, et ainsi de suite (voir figure 2). Les ondes sortent en se balançant dans des angles de polarisation en forme de hodge-podge, mais elles se déplacent toutes dans la direction de la corde.
Figure 1 : L' »angle de polarisation » est l’angle de la direction transversale d’oscillation d’une onde. Ici, l’horizontale (0 degré) et la verticale (90 degrés) sont représentées. L’angle intermédiaire peut être considéré comme un mélange des deux directions avec différents rapports de mélange. Le rectangle gris avec une fente verticale représente un filtre polarisé conçu pour transmettre les oscillations verticales de la corde et bloquer les oscillations horizontales. Image source : cnx.org
Figure 2 : Une onde non polarisée. La direction de la polarisation change de façon aléatoire le long de l’onde. La lumière du soleil et la plupart des autres sources de lumière sont non polarisées mais deviennent partiellement polarisées par réflexion. Image source : astronomy.nmsu.edu
La lumière du soleil peut devenir partiellement polarisée par la diffusion des molécules d’air ou par la réflexion sur quelque chose comme un lac. Cela signifie qu’après avoir été diffusées ou réfléchies, les angles d’oscillation des ondes du soleil ne sont plus aléatoires dans toutes les directions mais ont une direction préférée en moyenne. Dans le cas d’une surface horizontale, comme un lac ou une route, la direction préférée est horizontale. Cette lumière solaire réfléchie qui vibre horizontalement est la nuisance que nous voyons sous forme d’éblouissement, et c’est pourquoi les verres polarisants sont si utiles aux plagistes et aux automobilistes : ils bloquent l’éblouissement. Les filtres polarisés de ces objectifs bloquent de préférence la composante horizontale de l’oscillation de la lumière tout en transmettant la composante verticale. Il en résulte une image plus sombre mais avec un meilleur contraste (voir figure 3).
Figure 3 : Visualisation de la même scène avec et sans filtre polarisant. La lumière solaire réfléchie dans l’image de gauche est partiellement polarisée. L’image de droite est prise avec un filtre qui bloque la lumière polarisée horizontalement. Source de l’image : photography.ca/blog
Les équations de Fresnel montrent quantitativement comment la lumière non polarisée devient partiellement polarisée après réflexion sur une surface diélectrique – comme l’eau ou le verre. Les équations sont mentionnées ici juste pour que le lecteur puisse voir que la composante polarisée horizontalement d’une onde diffère dans son coefficient de réflexion de la composante polarisée verticalement. Des coefficients de réflexion inégaux entraînent une polarisation partielle de la lumière non polarisée. Il est intéressant de noter que les équations de Fresnel prédisent l’existence d’un angle pour lequel l’éblouissement est complètement polarisé, et pas seulement partiellement. En d’autres termes, l’éblouissement provenant de cet angle (connu sous le nom d’angle de Brewster) peut être complètement bloqué par un filtre polarisant idéal. L’effet est spectaculaire. (voir la figure 4).
Figure 4 : Éblouissement réfléchi à l’angle de Brewster par une fenêtre. La lumière produisant l’éblouissement est hautement polarisée, ce qui permet au filtre polarisant (sur la fenêtre de droite) de la supprimer pratiquement entièrement. Pour l’eau douce, l’angle de Brewster est d’environ 53 degrés, de sorte que les performances maximales des lunettes de soleil polarisées sur un lac calme se produisent lorsque le soleil est à un angle d’environ 37 degrés par rapport à l’horizon (90-53= 37). Image source : boundless.com/physics
Pour comprendre comment les lunettes de soleil polarisées bloquent la polarisation horizontale, il est important de savoir comment se comportent les électrons dans les molécules du filtre des lunettes de soleil. Les électrons sont mis en oscillation par l’onde lumineuse entrante et, par conséquent, une partie de l’énergie de l’onde de la lumière est transférée aux électrons pour être dissipée ou réfléchie par les électrons. Les filtres polarisants utilisés dans les lunettes de soleil contiennent des molécules qui facilitent l’oscillation des électrons dans la direction horizontale (direction longue), dissipant ainsi davantage d’énergie lumineuse polarisée horizontalement. D’autre part, les longues molécules empêchent les électrons d’osciller dans le sens vertical (sens court), ce qui réduit la dissipation par les électrons des ondes lumineuses polarisées verticalement. (voir la figure 5).
Figure 5 : Les molécules dans un filtre polarisant sont longues dans une direction et courtes dans la direction perpendiculaire. Les électrons peuvent osciller librement sur la longueur de la molécule, absorbant ou réfléchissant l’énergie lumineuse, alors qu’ils ne peuvent pas osciller très loin dans la direction courte. Les flèches du « champ E » de la figure indiquent la direction de la polarisation. Les petites sphères marquées « e- » représentent des électrons. Notez sur la figure comment l’onde polarisée horizontalement (en haut) émerge de son interaction avec les électrons avec une amplitude réduite, tandis que l’onde oscillant verticalement (en bas) émerge avec une amplitude non réduite. Image Source : voer.edu.vn
En pratique, il est difficile d’obtenir que les longues molécules soient toutes alignées dans une seule direction, mais des molécules quelque peu alignées restent efficaces pour fabriquer un polariseur. Une façon d’y parvenir est de mettre des molécules à longue chaîne sur un morceau de matériau transparent étirable puis de chauffer et de tirer sur le matériau étirable. Les longues chaînes de molécules, à l’origine dans des orientations aléatoires, vont plus ou moins s’aligner dans la direction de la traction.
La figure 6 ci-dessous illustre un résumé simplifié de tout ce que nous venons d’aborder sur la polarisation : les lunettes de soleil anti-éblouissement !
Figure 6 : les lunettes de soleil polarisées bloquent la lumière polarisée horizontalement (rouge) mais transmettent la lumière polarisée verticalement (bleu). Image source : microscopyu.com
Ari Siletz est président de CCDMETRIX. Son entreprise est spécialisée dans l’inspection et la métrologie des systèmes de vision automatisés. Avec une formation en ingénierie optique et logicielle, Ari a développé des instruments pour les industries de l’ophtalmologie et du revêtement optique depuis les années 1980. L’écriture est l’un des principaux passe-temps d’Ari. Il est un auteur publié dont les nouvelles sont parues dans de nombreuses anthologies littéraires. Il vit à Sebastopol, en Californie.