Types de polarisation : rectiligne, circulaire et elliptique

L’étude de la polarisation décrit la direction de vibration d’une onde électromagnétique. Ce phénomène met en jeu la variation du champ électrique dans un plan donné. On appelle onde électromagnétique plane progressive harmonique (OemPPH) une solution des équations de Maxwell. Chaque composante du champ suit une oscillation sinusoïdale de même fréquence et de même vecteur d’onde. Seules l’amplitude et la phase changent d’orientation. Les chercheurs de Culture Sciences Physique ont simulé ces modes le 16 décembre 2022. Ils ont illustré plusieurs trajectoires du champ électrique. Celles-ci correspondent aux types de polarisation décrits dans cet article.

Table des matières

• Introduction
• Polarisation rectiligne
• Polarisation circulaire
• Polarisation elliptique

Introduction

La polarisation décrit l’orientation du champ électrique dans une onde. Elle ne modifie pas la fréquence ni la vitesse de propagation. Elle fournit un degré de liberté supplémentaire dans l’étude des ondes. Les équations de Maxwell relient les champs électrique et magnétique. Elles déterminent le vecteur d’onde et la pulsation ω. La solution plane progressive harmonique montre comment chaque composante oscille en phase ou en retard. Les mesures utilisent des filtres polarisants et des polarimètres. Ces appareils identifient la forme de la trajectoire du vecteur électrique.

On rencontre la polarisation dans la vie quotidienne. Les lunettes de soleil polarisantes bloquent les reflets sur l’eau. La photographie emploie des filtres pour réduire les reflets sur une vitre. Les radars actuels utilisent des antennes duales pour gérer deux types de polarisation. Les réseaux mobiles exploitent la polarisation croisée pour doubler la capacité de transmission.

James Clerk Maxwell a unifié l’électricité et le magnétisme en 1865. Heinrich Hertz a généré les premières ondes radio en 1887, ce qui a permis d’observer la polarisation. Dès 1893, Nikola Tesla a étudié la polarisation des ondes haute fréquence. Ces travaux ont servi de base aux radars développés en 1935. Les antennes radar utilisaient alors une longueur d’onde de 1 m, soit une fréquence de 300 MHz.

Polarisation rectiligne

Dans ce mode, le vecteur électrique reste dans une droite. Il oscille dans un plan fixe. On l’appelle aussi polarisation linéaire. Les ondes laser et les antennes radio utilisent souvent ce type. Un filtre polarisant bloque toutes les composantes hors de l’axe principal. Le graphique de l’amplitude en fonction du temps montre une sinusoïde. Les paramètres clés sont l’angle de polarisation et la pureté.

• Polarisation horizontale : l’axe d’oscillation est parallèle au sol ou à l’interface.
• Polarisation verticale : l’axe est perpendiculaire à l’horizontale, souvent sur un plan vertical.
• Polarisation oblique : l’axe forme un angle constant par rapport à l’horizontale ou à la verticale.

En radio FM, on règle parfois la polarisation à 45 degrés pour couvrir un large public. La bande FM en France va de 87,5 à 108 MHz. Les émetteurs TV en UHF utilisent une polarisation verticale pour améliorer la portée en zone urbaine. Les modems Wi-Fi sur la bande 2,4 GHz emploient deux antennes à polarisation croisée. Cela réduit les interférences et double la capacité.

On définit la pureté linéaire comme le rapport d’énergie dans la direction principale. Cette donnée se mesure avec un polarimètre et un analyseur rotatif. La pureté atteint souvent 99 % dans les systèmes optiques de haute qualité. Les liaisons par fibre optique mono-mode exploitent cette polarisation pour réduire la dispersion entre modes.

Les lunettes polarisantes pour la pêche bloquent la lumière horizontale due aux reflets sur l’eau. Elles laissent passer la lumière utile sous un angle oblique. Cette technique améliore la visibilité sous l’eau.

Polarisation circulaire

La trajectoire du vecteur électrique en un point décrit un cercle. L’axe de propagation reste fixe. La vitesse de rotation reste constante. On parle de polarisation circulaire droite pour un sens horaire. On parle de gauche pour le sens inverse. Ce mode apparaît quand on combine deux composantes linéaires en quadrature.

Un retard de phase de 90 degrés entre composantes crée une rotation uniforme. Les deux amplitudes restent égales. On obtient ce mode à l’aide d’une lame quart d’onde placée sur un faisceau linéaire. Les liaisons par satellite utilisent ce type pour réduire la sensibilité à l’orientation de l’antenne.

• Polarisation circulaire droite (RCP) : rotation horaire vue vers la source.
• Polarisation circulaire gauche (LCP) : rotation antihoraire vue vers la source.

Ce type de polarisation réduit la perte de signal due à la torsion des câbles coaxiaux. Il joue aussi un rôle en imagerie médicale. Les microscopes à fluorescence emploient souvent ce mode pour distinguer des molécules chirales.

La télévision 3D numérique exploite la polarisation circulaire pour afficher deux images simultanées. Le système RealD utilise LCP pour l’œil gauche et RCP pour l’œil droit. Les lunettes laissent passer l’image correspondante. Ce procédé existe depuis 2008 dans les cinémas. Les lasers en physique expérimentale utilisent aussi la polarisation circulaire pour piéger les atomes dans les pinces optiques.

Polarisation elliptique

La trajectoire du vecteur électrique trace une ellipse. Ses axes principaux et son excentricité varient selon les amplitudes et le déphasage. Ce mode généralise les types rectiligne et circulaire. On le rencontre quand le déphasage diffère de 0 ou de 90 degrés. Les amplitudes des deux composantes peuvent aussi différer.

On décrit la forme par deux paramètres : l’angle d’orientation de l’ellipse et le rapport d’excentricité. Les coordonnées de l’ellipse évoluent en fonction du temps. Un polarimètre sophistiqué permet de mesurer ces grandeurs. Les instruments enregistrent les quatre paramètres de Stokes pour un état complet.

Les fibres optiques mono-mode présentent souvent une polarisation elliptique à la sortie. Les matériaux biréfringents en optique adaptative créent ou modifient cette forme. Les études en océanographie laser exploitent la polarisation elliptique pour analyser les particules en suspension.

En biologie moléculaire, l’activité optique d’une solution chirale modifie la polarisation linéaire en elliptique. Les polarimètres biochimiques mesurent la concentration de sucre dans le sang par cette méthode. Les états elliptiques permettent de quantifier la rotation optique en biotechnologies. Les laboratoires pharmaceutiques l’emploient pour valider la pureté d’un principe actif chirale.

Les états de polarisation constituent une dimension essentielle de l’onde électromagnétique. Ils interviennent partout où l’on manipule le champ électrique. La maîtrise de la polarisation améliore la performance des systèmes de communication et de mesure. Les recherches actuelles en métamatériaux visent à contrôler la polarisation à l’échelle nanométrique. Elles ouvrent la voie à des écrans holographiques et à des antennes reconfigurables.

Quels sont les différents types de polarisation d’une onde électromagnétique ?

Il existe trois types principaux : la polarisation rectiligne, la polarisation circulaire et la polarisation elliptique. Chaque type décrit la trajectoire décrite par le vecteur champ électrique.

Comment se caractérise la polarisation rectiligne ?

Dans la polarisation rectiligne, le vecteur champ électrique oscille dans un seul plan fixe. C’est la forme la plus simple de polarisation.

Quelle différence entre polarisation circulaire et elliptique ?

La polarisation circulaire correspond à un vecteur champ électrique tournant à amplitude constante. La polarisation elliptique est similaire, mais avec une amplitude variable, formant une ellipse.

Peut-on observer plusieurs types de polarisation dans une même onde ?

Oui. Une onde électromagnétique peut changer de type de polarisation selon les conditions ou les milieux traversés.

Pourquoi la polarisation est-elle importante en optique ?

Elle influence la propagation et l’interaction des ondes avec les matériaux. Cela est crucial pour la conception des lunettes, filtres et capteurs optiques.