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Lumières et couleurs 1 Compléments théoriques aspects électromagnétiques lumière polarisée ? n c ? quelle vitesse? dispersion Propriétés optiques dun milieu.

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Présentation au sujet: "Lumières et couleurs 1 Compléments théoriques aspects électromagnétiques lumière polarisée ? n c ? quelle vitesse? dispersion Propriétés optiques dun milieu."— Transcription de la présentation:

1 Lumières et couleurs 1 Compléments théoriques aspects électromagnétiques lumière polarisée ? n c ? quelle vitesse? dispersion Propriétés optiques dun milieu diélectrique: - n complexe ? - un matériau transparent ? …

2 Eléments d'histoire Théorie corpusculaire Newton ( ) La lumière est composée de particules dont les masses différentes provoquent sur la rétine des sensations distinctes couleurs Théorie ondulatoire Huygens ( ) La lumière est une vibration se transmettant de proche en proche et nécessitant un milieu de propagation, "léther" diffraction Young ( ) interférences Fresnel ( ) polarisation Fizeau ( ) mesure de c (1849)

3 Nature électromagnétique Nouvelle théorie corpusculaire Maxwell ( ) Einstein ( ) A partir de l'étude de l'effet photoélectrique: existence du photon (1905)

4 champ électrique E et un champ magnétique B orthogonaux, vibrant en phase perpendiculairement à la direction de propagation donnée par le vecteur k dans le vide: Nature électromagnétique de la lumière caractéristiques:, E 0, u u vecteur unitaire selon Oz

5 avec ou Expression générale du champ électrique d'une OPPM dans une base (x, y, z) où z est défini par la direction de propagation de l'onde

6 Phénomènes de polarisation Analogie avec une corde vibrante Onde linéairement polarisée dans un plan vertical

7 Onde linéairement polarisée dans un plan horizontal

8 Si lon fait vibrer la corde simultanément selon deux plans orthogonaux, on peut obtenir plusieurs configurations: si les élongations sont en phase ou en opposition de phase, la polarisation est rectiligne si les élongations ont une autre relation de phase, on obtient une polarisation elliptique cas particulier: la polarisation peut être circulaire si les amplitudes sont égales. Dans ces deux derniers cas, un observateur qui regarde londe qui lui arrive de face verra lamplitude résultante tourner dans un sens ou dans lautre. Si lobservateur voit le plan de polarisation tourner dans le sens des aiguilles dune montre, la polarisation est dite droite, inversement elle est dite gauche.

9 Polarisation circulaire

10 Cas de la lumière avec 1- polarisation rectiligne

11 2- polarisation rectiligne 3- quelconque polarisation elliptique elliptique gauche elliptique droite

12 cas particulier: ou et polarisation circulaire gauche droite

13 sources lumineuses classiques émissions spontanées aléatoires dans le temps et dans lespace (aucune "concertation" entre les différents atomes). Aucune corrélation entre les trains donde émis par chaque atome, ni en phase ni en orientation. Champ électrique résultant: somme vectorielle de tous les champs électriques associés à ces trains donde. Londe résultante possède une polarisation pour chaque instant, mais cet état de polarisation change à chaque instant. onde non polarisée ou naturelle. La lumière naturelle

14 Exemples de lumière (partiellement) polarisée

15 La lumière naturelle que nous recevons peut être parfois partiellement polarisée. Cest le cas : du phénomène de réflexion. du bleu du ciel.

16 Polarisation par réflexion La réflexion privilégie une direction de transmission du champ électrique cf. formules de Fresnel: Atténuation (voire disparition) de la composante perpendiculaire par réflexion

17 La polarisation par réflexion est maximale quand le rayon réfléchi et le rayon réfracté sont à 90° lun de lautre. Langle dincidence sappelle alors langle de Brewster: interface air / verre : i B 56°, interface air / eau : i B 52°

18 Filtres polarisants et verres "Polaroïds ® " Polaroïd® film de polymères sur lequel sont fixées des molécules de pigments absorption sauf lorsque le champ électrique est perpendiculaire à la direction des molécules

19 Lames à retard modifient la polarisation cristaux biréfringents (quartz, calcite,…) division du faisceau incident en 2 faisceaux de polarisation rectiligne selon 2 axes perpendiculaires: - un axe "lent" - un axe "rapide" 2 indices n r et n l 2 vitesses v r et v l Selon laxe lent, la vibration acquiert un retard de phase supplémentaire: lame quart dondelame demi donde

20 Ecrans LCD Liquid Crystal Display cristal solide- ordre de position - ordre dorientation (cristaux moléculaires) liquideaucun ordre cristal liquide- désordre de position - ordre dorientation phase nématique

21 1- polariseur vertical 2- et 4- plaques de verre avec électrodes 3- LCD 5- polariseur horizontal 6- surface réfléchissante (si éclairage par réflexion) LCD couleur Filtre coloré + 3 cellules par pixel

22 Propriété du cristal liquide: il fait tourner le plan de polarisation de la lumière pour laligner avec le polariseur de sortie

23 Orientation des cristaux ne permettant plus la rotation du plan de polarisation

24 Différentes vitesses; dispersion 1- Superposition de deux ondes battements

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26 variation lentevariation rapide

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29 2- Cas d'une onde "réelle" train d'onde ou paquet d'ondes paquet d'ondes superposition d'O.P.P.M.: "Toutes" les O.P.P.M. se propagent à la même vitesse

30 Cas contraire : déformation du paquet propagation dispersive

31 Lorsqu'il y a dispersion: la vitesse de phase et la vitesse de groupe sont différentes chaque vitesse est fonction de la relation de dispersion = (k) n'est pas linéaire Exemple de la propagation d'une onde EM dans un plasma: relation de dispersion: 2 = p 2 + k 2 c 2 v > c

32 Propriétés optiques d'un milieu diélectrique interaction du champ électrique avec les charges du milieu électrons liés champ déplacement des charges apparition de dipôles électriques polarisation macroscopique P

33 Déplacement électrique: Relation avec l'indice optique:

34 Que représentent les parties réelle et imaginaire de n( ) ? atténuation exponentiellepropagation

35 2- décroissance de l'amplitude du champ K caractérise l'absorption de l'onde par le milieu n et K ne sont pas indépendants (relations de Kramers-Kronig) 1- n = n ( ) n caractérise la dispersion du milieu La partie réelle n est l'indice de réfraction. Elle permet d'exprimer la vitesse de phase:

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38 Transparence n >> K la lumière se propage sans atténuation la dispersion est faible n = n ( ) dispersion de la lumière par un prisme n > 1 v < c v g < c : la dispersion est "normale"

39 Absorption K non négligeable la dispersion est très importante n peut être inférieur à 1 v peut être supérieur à c v g peut être supérieur à c : la dispersion est "anormale" ex. : absorption par les molécules atmosphériques


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