Analyse de la Polarisation Lumineuse

Exercice : Analyse de la Polarisation Lumineuse

Analyse de la Polarisation Lumineuse d'une Onde Électromagnétique

Contexte : L'onde électromagnétique planeUne onde dont les fronts d'onde sont des plans infinis, perpendiculaires à la direction de propagation. C'est une modélisation courante pour la lumière se propageant loin de sa source. et sa polarisationLa polarisation décrit l'orientation de l'oscillation du champ électrique d'une onde électromagnétique dans le plan perpendiculaire à sa direction de propagation..

La polarisation de la lumière est une propriété fondamentale qui a des applications dans de nombreux domaines, de l'optique (lunettes de soleil polarisantes, écrans LCD) aux télécommunications (antennes, fibres optiques). Comprendre comment décrire mathématiquement l'état de polarisation d'une onde est essentiel pour tout ingénieur ou physicien. Cet exercice vous guidera à travers l'analyse complète d'une onde à polarisation elliptique.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous apprendra à décomposer le champ électrique d'une onde, à identifier la nature de sa polarisation, et à quantifier ses caractéristiques géométriques (orientation, ellipticité) à partir de son expression mathématique.


Objectifs Pédagogiques

  • Identifier la nature de la polarisation (linéaire, circulaire, elliptique) d'une onde plane.
  • Calculer les paramètres de l'ellipse de polarisation : orientation et longueurs des axes.
  • Maîtriser la représentation de la polarisation par le formalisme des vecteurs de Jones.
  • Analyser l'effet d'un composant optique (polariseur) sur une onde incidente.

Données de l'étude

On considère une onde électromagnétique plane monochromatique se propageant dans le vide selon la direction \(\vec{u}_z\). Son champ électrique \(\vec{E}\) s'écrit en notation réelle :

\[ \vec{E}(z,t) = E_{0x} \cos(\omega t - kz)\vec{u}_x + E_{0y} \cos(\omega t - kz + \phi)\vec{u}_y \]
Fiche Technique de l'Onde
Caractéristique Description
Propagation Selon l'axe des z positifs.
Milieu Vide (permittivité \(\epsilon_0\), perméabilité \(\mu_0\)).
Structure Onde plane transverse électromagnétique (TEM).
Composantes du champ électrique dans le plan (x,y)
x y O E⃗ Eₓ Eᵧ
Nom du Paramètre Symbole Valeur Unité
Amplitude selon x \(E_{0x}\) 4.0 V/m
Amplitude selon y \(E_{0y}\) 2.0 V/m
Déphasage \(\phi\) \(\pi / 3\) rad

Questions à traiter

  1. Déterminer l'équation de la trajectoire de l'extrémité du vecteur champ électrique dans le plan \(z=0\). Quelle est la nature de la polarisation de cette onde ?
  2. Calculer l'angle \(\psi\) que fait le grand axe de l'ellipse de polarisation avec l'axe des x.
  3. Déterminer les longueurs du demi-grand axe (\(A\)) et du demi-petit axe (\(B\)) de l'ellipse de polarisation.
  4. Donner l'expression du vecteur de Jones normalisé associé à cette onde.
  5. L'onde traverse un polariseur linéaire parfait dont l'axe de transmission est orienté selon \(\vec{u}_x\). Déterminer l'expression du champ électrique \(\vec{E}'\) en sortie du polariseur, ainsi que le rapport des intensités lumineuses \(I'/I\).

Les bases sur la Polarisation de la Lumière

La polarisation décrit la manière dont la direction du champ électrique d'une onde électromagnétique oscille. Pour une onde se propageant en \(z\), le champ électrique reste dans le plan \((x,y)\). La figure que dessine l'extrémité du vecteur \(\vec{E}(z_0, t)\) au cours du temps dans ce plan définit l'état de polarisation.

1. Types de Polarisation
En fonction des amplitudes relatives \(E_{0x}, E_{0y}\) et du déphasage \(\phi\), on distingue :

  • Polarisation Linéaire : \(\phi = 0\) ou \(\phi = \pi\). Le champ électrique oscille le long d'une droite.
  • Polarisation Circulaire : \(E_{0x} = E_{0y}\) et \(\phi = \pm \pi/2\). Le champ électrique décrit un cercle.
  • Polarisation Elliptique : Tous les autres cas. Le champ électrique décrit une ellipse. C'est le cas le plus général.

2. Équation de l'Ellipse de Polarisation
Les composantes du champ électrique en \(z=0\) sont \(E_x(t) = E_{0x} \cos(\omega t)\) et \(E_y(t) = E_{0y} \cos(\omega t + \phi)\). En éliminant le temps \(t\) entre ces deux équations, on obtient l'équation cartésienne de l'ellipse : \[ \left(\frac{E_x}{E_{0x}}\right)^2 + \left(\frac{E_y}{E_{0y}}\right)^2 - 2 \frac{E_x E_y}{E_{0x} E_{0y}} \cos\phi = \sin^2\phi \]


Correction : Analyse de la Polarisation Lumineuse d'une Onde Électromagnétique

Question 1 : Nature de la polarisation

Principe (le concept physique)

Pour déterminer la nature de la polarisation, nous devons observer la figure que dessine l'extrémité du vecteur champ électrique au cours du temps dans un plan fixe (par exemple, z=0). Cette figure (droite, cercle ou ellipse) révèle directement le type de polarisation.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

La trajectoire de l'extrémité du vecteur \(\vec{E}\) est décrite par les équations paramétriques \(E_x(t)\) et \(E_y(t)\). Pour trouver la nature de cette trajectoire, la méthode consiste à éliminer le paramètre temps 't' pour obtenir une relation cartésienne \(f(E_x, E_y) = 0\). La forme de cette équation (équation de droite, de cercle ou d'ellipse) nous donne la réponse.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Avant de vous lancer dans les calculs, ayez un premier réflexe d'analyse : les amplitudes sont-elles égales ? Le déphasage est-il une valeur particulière (\(0, \pm\pi/2, \pi\)) ? Ici, \(E_{0x} \neq E_{0y}\) et \(\phi = \pi/3\). Cela exclut d'emblée les cas simples de polarisation linéaire ou circulaire, et nous oriente fortement vers une polarisation elliptique.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Expressions des composantes du champ

\[ E_x(t) = E_{0x} \cos(\omega t) \]
\[ E_y(t) = E_{0y} \cos(\omega t + \phi) \]

Équation générale de l'ellipse

\[ \left(\frac{E_x}{E_{0x}}\right)^2 + \left(\frac{E_y}{E_{0y}}\right)^2 - 2 \frac{E_x E_y}{E_{0x} E_{0y}} \cos\phi = \sin^2\phi \]
Hypothèses (le cadre du calcul)
  • L'onde est plane et monochromatique (une seule pulsation \(\omega\)).
  • Le milieu de propagation (vide) est linéaire, homogène et isotrope.
  • On se place en un point fixe de l'espace (\(z=0\)) pour observer l'évolution temporelle du champ.
Schéma
Trajectoire elliptique du champ E
xy
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Le raisonnement ici est analytique. On examine les conditions initiales : les amplitudes ne sont pas égales (\(E_{0x} \neq E_{0y}\)) et le déphasage n'est ni un multiple de \(\pi\) (\(\phi \neq k\pi\)), ni un multiple de \(\pi/2\). Les conditions spécifiques pour une polarisation linéaire ou circulaire ne sont donc pas remplies. Par conséquent, la polarisation est le cas le plus général : une ellipse. L'équation cartésienne générale le confirme : le terme croisé en \(E_x E_y\) (qui existe car \(\cos\phi \neq 0\)) indique que l'ellipse est inclinée, et la différence d'amplitude la rendrait elliptique même si le déphasage était de \(\pi/2\).

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Ne pas conclure trop vite. Une polarisation peut être elliptique même si \(\phi = \pm\pi/2\), à condition que \(E_{0x} \neq E_{0y}\). Le cas circulaire est très spécifique et requiert DEUX conditions simultanées.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • La polarisation est définie par la trajectoire de l'extrémité du vecteur \(\vec{E}\) dans le plan transverse.
  • Les cas de polarisation linéaire et circulaire sont des cas particuliers de la polarisation elliptique.
  • La nature de la polarisation dépend à la fois du rapport des amplitudes et du déphasage.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Certains animaux, comme les abeilles ou les seiches, sont capables de percevoir la polarisation de la lumière. Ils utilisent cette capacité pour se repérer grâce à la lumière polarisée du ciel ou pour communiquer avec leurs congénères.

Résultat Final (la conclusion chiffrée)
La trajectoire est une ellipse. La polarisation de l'onde est donc elliptique.

Question 2 : Calcul de l'angle d'orientation \(\psi\)

Principe (le concept physique)

Une ellipse, même inclinée, possède deux axes de symétrie : un grand axe et un petit axe. L'angle d'orientation \(\psi\) est l'angle que fait le grand axe de l'ellipse par rapport à l'axe de référence, ici l'axe des x.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Trouver l'orientation de l'ellipse revient à trouver le système d'axes propres dans lequel son équation ne contient plus de terme croisé. C'est un problème classique de diagonalisation. La formule utilisée est le résultat de ce processus mathématique, qui consiste à trouver l'angle de rotation du repère qui maximise la distance à l'origine.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Cette formule peut sembler sortir de nulle part, mais elle est un résultat direct et puissant de l'analyse de l'équation de l'ellipse. Apprenez-la et appliquez-la méthodiquement. L'important est de bien identifier chaque terme (\(E_{0x}, E_{0y}, \phi\)) avant de l'appliquer.

Normes (la référence réglementaire)

Aucune norme ne s'applique ici. Il s'agit d'une définition mathématique standard pour caractériser la géométrie d'une ellipse.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Formule de l'angle d'orientation

\[ \tan(2\psi) = \frac{2 E_{0x} E_{0y} \cos\phi}{E_{0x}^2 - E_{0y}^2} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que le système de coordonnées \((x,y)\) est le repère de référence. L'angle \(\psi\) est mesuré positivement dans le sens trigonométrique à partir de l'axe des \(x\).

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)

Les données suivantes sont issues de l'énoncé de l'exercice.

ParamètreSymboleValeurUnité
Amplitude selon x\(E_{0x}\)4.0V/m
Amplitude selon y\(E_{0y}\)2.0V/m
Déphasage\(\phi\)\(\pi/3\)rad
Astuces (Pour aller plus vite)

Le signe du numérateur et du dénominateur dans la formule de \(\tan(2\psi)\) vous donne directement le quadrant de l'angle \(2\psi\). Ici, numérateur > 0 et dénominateur > 0, donc \(2\psi\) est entre 0 et 90°, ce qui simplifie la recherche de \(\psi\).

Schéma (Avant les calculs)
Angle d'orientation \(\psi\) de l'ellipse
xyψ
Calcul(s) (l'application numérique)

Calcul de tan(2ψ)

\[ \begin{aligned} \tan(2\psi) &= \frac{2 \times 4.0 \times 2.0 \times \cos(\pi/3)}{4.0^2 - 2.0^2} \\ &= \frac{16.0 \times 0.5}{16.0 - 4.0} \\ &= \frac{8.0}{12.0} \\ &\approx 0.667 \end{aligned} \]

Calcul de l'angle ψ

\[ \begin{aligned} 2\psi &= \arctan(0.667) \\ &\approx 33.69^\circ \\ \Rightarrow \psi &= \frac{33.69^\circ}{2} \\ &\approx 16.85^\circ \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Ellipse avec angle d'orientation calculé
xy16.9°
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Un angle de \(\approx 17^\circ\) signifie que l'ellipse est légèrement inclinée, son grand axe étant plus proche de l'axe des x que de l'axe des y. Ceci est cohérent avec le fait que l'amplitude initiale selon x (\(E_{0x}=4\)) est plus grande que celle selon y (\(E_{0y}=2\)).

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

L'erreur la plus commune est d'oublier le facteur 2. La formule donne \(\tan(2\psi)\), pas \(\tan(\psi)\). Il faut donc penser à diviser l'angle obtenu par 2 à la fin. Assurez-vous aussi que votre calculatrice est bien en mode "degrés" si vous travaillez avec des degrés.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)

La formule de \(\tan(2\psi)\) est l'outil central pour trouver l'orientation de n'importe quelle ellipse de polarisation à partir des composantes cartésiennes du champ.

Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

L'inventeur du film polarisant moderne, Edwin Land, a co-fondé la Polaroid Corporation en 1937. Ses inventions ont révolutionné la photographie avec l'appareil à développement instantané, mais ses premiers travaux sur les polariseurs sont à l'origine de nombreuses technologies optiques actuelles.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
L'angle d'orientation du grand axe de l'ellipse est \(\psi \approx 16.9^\circ\) par rapport à l'axe x.
A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Calculez \(\psi\) si le déphasage \(\phi\) était de \(2\pi/3\) (soit 120°). Que remarquez-vous ?

Question 3 : Longueurs des demi-axes A et B

Principe (le concept physique)

Le grand axe (\(2A\)) et le petit axe (\(2B\)) sont les dimensions caractéristiques de l'ellipse. Ils représentent respectivement la portée maximale et minimale de l'oscillation du champ électrique par rapport au centre de l'ellipse.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Les grandeurs \(E_{0x}^2 + E_{0y}^2\) et \(A^2 + B^2\) sont égales. Cela représente une conservation de l'énergie (l'intensité totale de l'onde), qui est invariante par rotation du système de coordonnées. C'est un principe physique fondamental : l'énergie ne dépend pas du repère dans lequel on la mesure.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Le calcul de A et B se ramène à la résolution d'un simple système de deux équations linéaires en \(A^2\) et \(B^2\). C'est une méthode robuste qui fonctionne dans tous les cas. Une fois que vous avez \(A^2\) et \(B^2\), n'oubliez pas de prendre la racine carrée pour obtenir A et B.

Normes (la référence réglementaire)

Non applicable. Il s'agit de propriétés géométriques fondamentales de l'ellipse.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Système d'équations des axes

\[ A^2 + B^2 = E_{0x}^2 + E_{0y}^2 \]
\[ A^2 - B^2 = \frac{E_{0x}^2 - E_{0y}^2}{\cos(2\psi)} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

Par convention, \(A\) représente le demi-grand axe et \(B\) le demi-petit axe, on a donc toujours \(A \ge B \ge 0\).

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)

Les données suivantes sont issues de l'énoncé et du résultat de la question 2.

ParamètreSymboleValeurUnité
Amplitude selon x\(E_{0x}\)4.0V/m
Amplitude selon y\(E_{0y}\)2.0V/m
Angle double\(2\psi\)\(33.69\)degrés
Schéma (Avant les calculs)
Paramètres géométriques de l'ellipse
A (demi-grand axe)B (demi-petit axe)
Calcul(s) (l'application numérique)

Calcul de la somme des carrés

\[ A^2 + B^2 = 4.0^2 + 2.0^2 = 20.0 \]

Calcul de la différence des carrés

\[ \begin{aligned} A^2 - B^2 &= \frac{4.0^2 - 2.0^2}{\cos(33.69^\circ)} \\ &= \frac{12.0}{0.832} \\ &\approx 14.42 \end{aligned} \]

Résolution pour A

\[ \begin{aligned} 2A^2 &= 20.0 + 14.42 \\ &= 34.42 \\ \Rightarrow A^2 &= 17.21 \\ \Rightarrow A &= \sqrt{17.21} \approx 4.15 \, \text{V/m} \end{aligned} \]

Résolution pour B

\[ \begin{aligned} 2B^2 &= 20.0 - 14.42 \\ &= 5.58 \\ \Rightarrow B^2 &= 2.79 \\ \Rightarrow B &= \sqrt{2.79} \approx 1.67 \, \text{V/m} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Ellipse avec dimensions calculées
A ≈ 4.15B ≈ 1.67
Réflexions (l'interprétation du résultat)

On peut vérifier la cohérence du résultat. L'intensité totale de l'onde, proportionnelle à \(E_{0x}^2 + E_{0y}^2 = 20\), doit être la même dans le repère de l'ellipse, où elle est proportionnelle à \(A^2 + B^2 \approx 17.21 + 2.79 = 20\). La conservation est bien vérifiée.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Faites attention à ne pas mélanger A et B. \(A^2\) est obtenu via la somme des termes, et \(B^2\) via la différence. Une autre erreur courante est d'oublier de prendre la racine carrée à la fin.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)

Le calcul de A et B complète la description géométrique de l'ellipse. Le rapport \(B/A\), appelé ellipticité, est une mesure clé : il vaut 0 pour une polarisation linéaire et 1 pour une circulaire.

Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Les antennes des satellites et des systèmes de communication modernes (GPS, WiFi) utilisent souvent des polarisations circulaires ou elliptiques. Cela permet de s'affranchir des problèmes d'alignement précis entre l'émetteur et le récepteur, qui sont critiques pour les polarisations linéaires.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
Le demi-grand axe est \(A \approx 4.15 \text{ V/m}\) et le demi-petit axe est \(B \approx 1.67 \text{ V/m}\).
A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Que valent A et B pour une polarisation circulaire où \(E_{0x}=E_{0y}=3 \text{ V/m}\) ?

Question 4 : Vecteur de Jones normalisé

Principe (le concept physique)

Le formalisme de Jones est un outil mathématique puissant qui représente l'état de polarisation par un vecteur à deux composantes complexes. Il permet de décrire l'action des composants optiques (polariseurs, lames de phase) par de simples multiplications matricielles.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Le vecteur de Jones encode l'amplitude relative et la phase relative des composantes \(E_x\) et \(E_y\). La première composante est généralement choisie comme référence de phase (réelle). La deuxième composante contient alors tout le déphasage \(\phi\) via le terme \(e^{i\phi}\). La normalisation assure que le vecteur a une "longueur" (module au carré) de 1, ce qui est pratique pour les calculs d'intensité.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

La construction du vecteur de Jones est très directe : la première ligne est l'amplitude en x, la deuxième est l'amplitude en y multipliée par le facteur de phase complexe. Ne vous laissez pas intimider par les nombres complexes, ils ne sont ici qu'un outil pour gérer la phase.

Normes (la référence réglementaire)

C'est une convention mathématique standard en optique, introduite par R. Clark Jones dans les années 1940. Il n'y a pas de norme réglementaire associée.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Vecteur de Jones Normalisé

\[ \vec{J}_n = \frac{1}{\sqrt{E_{0x}^2 + E_{0y}^2}} \begin{pmatrix} E_{0x} \\ E_{0y} e^{i\phi} \end{pmatrix} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que le champ électrique est écrit dans la base cartésienne \((\vec{u}_x, \vec{u}_y)\), et que la phase de la composante en \(x\) est prise comme référence (phase nulle).

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)

Les données suivantes sont issues de l'énoncé de l'exercice.

ParamètreSymboleValeur
Amplitude selon x\(E_{0x}\)\(4.0 \text{ V/m}\)
Amplitude selon y\(E_{0y}\)\(2.0 \text{ V/m}\)
Déphasage\(\phi\)\(\pi/3 \text{ rad}\)
Schéma (Avant les calculs)
Structure du Vecteur de Jones
J = E₀ₓE₀ᵧ eⁱᵠ
Calcul(s) (l'application numérique)

Calcul du facteur de normalisation

\[ \begin{aligned} \text{Norme} &= \sqrt{4.0^2 + 2.0^2} \\ &= \sqrt{16.0 + 4.0} \\ &= \sqrt{20} \\ &= 2\sqrt{5} \end{aligned} \]

Construction du vecteur normalisé

\[ \begin{aligned} \vec{J}_n &= \frac{1}{2\sqrt{5}} \begin{pmatrix} 4 \\ 2 e^{i\pi/3} \end{pmatrix} \\ &= \frac{1}{\sqrt{5}} \begin{pmatrix} 2 \\ e^{i\pi/3} \end{pmatrix} \end{aligned} \]

Expression avec la formule d'Euler

\[ \begin{aligned} \vec{J}_n &= \frac{1}{\sqrt{5}} \begin{pmatrix} 2 \\ \cos(\pi/3) + i\sin(\pi/3) \end{pmatrix} \\ &= \frac{1}{\sqrt{5}} \begin{pmatrix} 2 \\ \frac{1}{2} + i\frac{\sqrt{3}}{2} \end{pmatrix} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Composantes du Vecteur de Jones dans le plan complexe
ReImComposante X (réelle)Composante Y (complexe)
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Le vecteur obtenu est une représentation complète et compacte de notre onde. On peut vérifier sa normalisation : \(|\frac{2}{\sqrt{5}}|^2 + |\frac{e^{i\pi/3}}{\sqrt{5}}|^2 = \frac{4}{5} + \frac{1}{5} = 1\). Cette forme est prête à être utilisée pour calculer l'effet de composants optiques.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

L'erreur principale est d'oublier le facteur de phase ou de mal l'appliquer. Le \(e^{i\phi}\) ne s'applique qu'à la composante déphasée, ici \(E_y\). Une autre erreur est de mal calculer le module pour la normalisation.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)

Le vecteur de Jones est un outil essentiel en optique polarisée. Retenez sa structure : \(\begin{pmatrix} \text{Complexe}_X \\ \text{Complexe}_Y \end{pmatrix}\), où chaque ligne représente l'amplitude et la phase d'une composante.

Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Le formalisme de Jones ne peut décrire que la lumière entièrement polarisée. Pour la lumière partiellement polarisée ou non polarisée (comme la lumière du soleil), les physiciens utilisent un outil plus général et plus complexe : les paramètres et les vecteurs de Stokes.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
Le vecteur de Jones normalisé est \(\vec{J}_n = \frac{1}{\sqrt{5}} \begin{pmatrix} 2 \\ e^{i\pi/3} \end{pmatrix}\).
A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Quel est le vecteur de Jones (non-normalisé) pour une lumière polarisée linéairement à 45° avec une amplitude totale de 5 V/m ? (Indice : \(E_{0x}=E_{0y}\) et \(\phi=0\))

Question 5 : Passage à travers un polariseur linéaire

Principe (le concept physique)

Un polariseur linéaire idéal agit comme un "projecteur". Il ne conserve que la composante du champ électrique qui est parallèle à son axe de transmission et annule complètement la composante perpendiculaire.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

En formalisme de Jones, chaque composant optique est représenté par une matrice de Jones 2x2. L'état de polarisation en sortie est obtenu en multipliant la matrice du composant par le vecteur de Jones de l'onde d'entrée. Pour un polariseur horizontal, la matrice "garde" la première composante (x) et met la deuxième (y) à zéro.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Cette question illustre la puissance du formalisme de Jones. Une interaction physique complexe (l'absorption anisotrope par un cristal) se réduit à une simple multiplication matricielle. C'est un gain de temps et de clarté immense.

Normes (la référence réglementaire)

Non applicable. Il s'agit de l'application d'un modèle mathématique standard en optique.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Matrice de Jones (polariseur horizontal)

\[ P_x = \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} \]

Vecteur de Jones en sortie

\[ \vec{J}' = P_x \vec{J} \]

Intensité

\[ I \propto E_{0x}^2 + E_{0y}^2 \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que le polariseur est "parfait", c'est-à-dire qu'il transmet 100% de la polarisation alignée et 0% de la polarisation perpendiculaire.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)

On utilise le vecteur de Jones non-normalisé de l'onde incidente, calculé à partir des données de l'énoncé.

\[ \vec{J} = \begin{pmatrix} 4 \\ 2 e^{i\pi/3} \end{pmatrix} \]
Schéma (Avant les calculs)
Action du polariseur horizontal
Onde IncidentePolariseur (axe x)Onde Sortante
Calcul(s) (l'application numérique)

Calcul du vecteur de Jones de sortie

\[ \begin{aligned} \vec{J}' &= \begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix} \begin{pmatrix} 4 \\ 2 e^{i\pi/3} \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} (1 \times 4) + (0 \times 2e^{i\pi/3}) \\ (0 \times 4) + (0 \times 2e^{i\pi/3}) \end{pmatrix} \\ &= \begin{pmatrix} 4 \\ 0 \end{pmatrix} \end{aligned} \]

Ce vecteur de sortie correspond à un champ \(\vec{E}'(z,t) = 4 \cos(\omega t - kz) \vec{u}_x\).

Calcul de l'intensité incidente

\[ I \propto E_{0x}^2 + E_{0y}^2 = 4^2 + 2^2 = 20 \]

Calcul de l'intensité en sortie

\[ I' \propto (E'_{0x})^2 + (E'_{0y})^2 = 4^2 + 0^2 = 16 \]

Calcul du rapport d'intensités

\[ \begin{aligned} \frac{I'}{I} &= \frac{16}{20} \\ &= 0.8 \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Onde sortante polarisée linéairement
xyE'
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Comme prévu, l'onde en sortie est polarisée linéairement le long de l'axe de transmission du polariseur. Son amplitude est celle de la composante x initiale. L'intensité n'est pas divisée par deux (cas d'une lumière non polarisée) car la lumière incidente était déjà partiellement alignée avec l'axe x.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Ne confondez pas l'intensité avec l'amplitude. L'intensité est proportionnelle au carré de l'amplitude. Pour le rapport \(I'/I\), il faut bien calculer le rapport des sommes des carrés des modules des composantes, pas le rapport des amplitudes elles-mêmes.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • L'action d'un polariseur est une projection.
  • En formalisme de Jones, cela se traduit par une multiplication par une matrice de projection.
  • La matrice pour un polariseur horizontal est \(\begin{pmatrix} 1 & 0 \\ 0 & 0 \end{pmatrix}\).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Les lunettes de cinéma 3D modernes (type RealD) utilisent des polariseurs circulaires (un "droit" et un "gauche"). Chaque oeil reçoit une image différemment polarisée circulairement, ce qui permet de reconstituer la vision en relief. L'avantage sur les anciens polariseurs linéaires est que l'on peut incliner la tête sans perdre l'effet 3D !

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
Le champ en sortie est \(\vec{E}'(z,t) = 4 \cos(\omega t - kz) \vec{u}_x\). Le rapport d'intensité est \(I'/I = 0.8\).
A vous de jouer (pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Quel serait le rapport d'intensité \(I'/I\) si le polariseur était orienté verticalement (selon \(\vec{u}_y\)) ?


Outil Interactif : Simulateur de Polarisation

Utilisez les curseurs ci-dessous pour modifier les amplitudes \(E_{0x}\), \(E_{0y}\) et le déphasage \(\phi\) entre les deux composantes du champ électrique. Observez en temps réel comment la forme et l'orientation de l'ellipse de polarisation changent. Essayez de recréer des polarisations linéaires et circulaires !

Paramètres de l'Onde
4.0 V/m
2.0 V/m
60 °
Caractéristiques de la Polarisation
Nature -
Orientation \(\psi\) -
Ellipticité (\(B/A\)) -

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Si le déphasage \(\phi\) entre \(E_x\) et \(E_y\) est de 0, quel est le type de polarisation ?

2. Pour obtenir une polarisation circulaire, quelle condition doit être remplie ?

3. Que représente le vecteur de Jones \(\begin{pmatrix} 1 \\ -i \end{pmatrix}\) ?

4. Une onde non polarisée passe à travers un polariseur linéaire idéal. Quelle proportion de son intensité est transmise ?

5. L'orientation \(\psi\) de l'ellipse de polarisation dépend de :


Glossaire

Onde électromagnétique plane
Une onde dont les fronts d'onde sont des plans infinis, perpendiculaires à la direction de propagation. C'est une modélisation courante pour la lumière se propageant loin de sa source.
Polarisation
La polarisation décrit l'orientation de l'oscillation du champ électrique d'une onde électromagnétique dans le plan perpendiculaire à sa direction de propagation.
Vecteur de Jones
Un vecteur colonne à deux composantes complexes qui décrit l'état de polarisation de la lumière. Il est particulièrement utile pour calculer l'effet des éléments optiques polarisants.
Polariseur linéaire
Un filtre optique qui ne transmet que la lumière ayant une polarisation linéaire spécifique, alignée avec son axe de transmission, et qui bloque les autres polarisations.
Analyse de la Polarisation d'une Onde Électromagnétique

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