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Michel HENRY : Agrégé de Physique - Docteur ès Sciences - Maître de Conférences à l’Université Pierre et Marie Curie
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La découverte de l’activité optique naturelle dans le quartz par Arago en 1811, puis dans l’essence de térébenthine et diverses solutions de sucre par Biot en 1817, ouvrit un large champ d’investigations aux physiciens et surtout aux chimistes : pour la première fois, ils disposaient d’une sonde permettant d’agir au niveau moléculaire.
Plus tard, en 1846, Faraday montra la possibilité de modifier l’activité optique par diverses actions, en particulier celle d’un champ magnétique.
Comme la biréfringence naturelle, mais dans un domaine différent, l’activité optique est essentiellement liée à l’état de polarisation de la lumière, c’est-à-dire à l’orientation dans l’espace du champ électrique de l’onde lumineuse.
Pour décrire l’activité optique et comprendre comment il est possible d’en tirer des renseignements sur la structure moléculaire des composés actifs, nous devons nous fixer un modèle de la lumière. Nous reviendrons plus en détail 1 sur cette question, mais signalons dès à présent que nous utilisons le modèle de l’onde plane monochromatique ou, éventuellement, d’une superposition d’ondes planes.
Les mesures fournissent l’énergie transportée par l’onde, proportionnelle à la valeur moyenne du carré du champ électrique. Dans beaucoup de cas, cette donnée suffit, mais des renseignements complémentaires peuvent bien entendu être fournis par l’analyse de l’état de polarisation de la lumière 2.
Après avoir rappelé les caractéristiques essentielles de l’activité optique (§ 3, 4, 5 et 6), nous examinerons les méthodes de mesure 7, tant visuelles que photoélectriques, puis nous donnerons quelques indications sur les appareils actuellement disponibles 8 et les applications 9.
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- Version courante de déc. 2009 par Jean-Claude MAURIZOT
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2. États de polarisation
La plupart des sources de lumière émettent des ondes dont le vecteur champ électrique a une orientation aléatoire et rapidement variable autour de la direction de propagation. La lumière possède alors une symétrie de révolution autour de cette direction et est dite naturelle.
Quelques sources (lasers, synchrotrons, etc.) émettent de la lumière ne possédant pas cette symétrie et dite polarisée.
Plus simplement, il est possible, à l’aide de composants optiques convenables, de filtrer la lumière naturelle pour lui faire perdre sa symétrie de révolution et la transformer en lumière polarisée. C’est, de fait, la solution de loin la plus économique et la plus facile à mettre en œuvre, aussi est-elle universellement adoptée. Ces composants, appelés polariseurs (article Optique ondulatoire. Interférences. Diffraction. Polarisation [A 191] du traité Sciences fondamentales) sont soit des cristaux biréfringents, soit des polymères organiques étalés en couche mince.
Les points importants pour nous sont l’orientation spatiale du champ électrique et son évolution au cours du temps.
Nous pouvons représenter le champ à un instant donné, c’est-à-dire en réaliser un instantané ou, au contraire, chercher comment varie le champ au cours du temps en un point donné, ce qui réalise une section de l’onde. Cela étant, il est commode de distinguer trois cas particuliers importants de polarisation de la lumière : polarisation rectiligne, polarisation circulaire, polarisation elliptique.
2.1 Polarisation rectiligne
Le champ électrique garde une orientation constante au cours du temps, orientation nommée direction de vibration (figure 2).
Soit β l’angle de la direction de vibration avec l’axe Ox. Les deux termes de phase ϕ x et ϕ y ayant même valeur ϕ , les composantes du champ électrique ont alors pour expression :
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