Introduction à la Microscopie des Expressions Moléculaires: Techniques spécialisées – Angle de Brewster – Tutoriel Java Interactif
Microscopie à lumière polarisée
Tutoriels Java interactifs
Angle de Brewster
La lumière réfléchie par la surface plane d’un matériau diélectrique (ou isolant) est souvent partiellement polarisée, les vecteurs électriques de la lumière réfléchie vibrant dans un plan parallèle à la surface du matériau. Des exemples courants de surfaces qui réfléchissent la lumière polarisée sont l’eau non perturbée, le verre, les plastiques en feuilles et les autoroutes. Dans ces cas, les ondes lumineuses dont les vecteurs de champ électrique sont parallèles à la surface sont réfléchies à un degré plus élevé que celles ayant des orientations différentes. Ce tutoriel démontre l’effet de polarisation sur la lumière réfléchie sous un angle spécifique (l’angle de Brewster) à partir d’un milieu transparent.
Le tutoriel s’initialise avec un rayon lumineux incident ayant une longueur d’onde présélectionnée (426 nanomètres) impactant la surface d’un milieu diélectrique rectangulaire d’indice de réfraction spécifique. Pour utiliser le tutoriel, utilisez le curseur d’indice de réfraction pour faire varier la valeur entre 1,0 et 3,0. Lorsque ce curseur est traduit, l’angle de l’onde lumineuse incidente change pour maintenir l’angle de Brewster correct pour la réflexion de la lumière polarisée. Le curseur de longueur d’onde peut être utilisé pour ajuster la longueur d’onde de l’onde lumineuse incidente. Bien que la variation de la longueur d’onde n’ait aucune incidence sur les calculs d’angle de Brewster, cela peut aider à améliorer le contraste pour permettre une visualisation plus facile du tutoriel. Le déplacement du curseur d’angle de vue fait pivoter l’orientation rectangulaire du support pour donner différentes vues en perspective du phénomène.
Les propriétés optiques de la surface isolante déterminent la quantité exacte de lumière réfléchie qui est polarisée. Les miroirs ne sont pas de bons polariseurs, bien qu’un large spectre de matériaux transparents agissent comme de très bons polariseurs, mais seulement si l’angle de lumière incidente est orienté dans certaines limites. Une propriété importante de la lumière polarisée réfléchie est que le degré de polarisation dépend de l’angle incident de la lumière, les quantités croissantes de polarisation étant observées pour des angles incidents décroissants.
Lorsque l’on considère l’incidence de la lumière non polarisée sur une surface isolante plane, il existe un angle unique sous lequel les ondes lumineuses réfléchies sont toutes polarisées en un seul plan. Cet angle est communément appelé angle de Brewster et peut être facilement calculé en utilisant l’équation suivante pour un faisceau de lumière se déplaçant dans l’air:
où n est l’indice de réfraction du milieu à partir duquel la lumière est réfléchie, q (i) est l’angle d’incidence et q (r) est l’angle de réfraction. En examinant l’équation, il devient évident que l’indice de réfraction d’un échantillon inconnu peut être déterminé par l’angle de Brewster. Cette caractéristique est particulièrement utile dans le cas de matériaux opaques qui ont des coefficients d’absorption élevés pour la lumière transmise, rendant inapplicable la formule habituelle de la Loi de Snell. La détermination de la quantité de polarisation par des techniques de réflexion facilite également la recherche de l’axe de polarisation sur une feuille de film polarisant non marquée.
Le principe de l’angle de Brewster est illustré à la figure 1 pour un seul rayon de lumière réfléchissant à partir de la surface plane d’un milieu transparent ayant un indice de réfraction plus élevé que l’air. Le rayon incident est dessiné avec seulement deux plans de vibration vectoriels électriques, mais est destiné à représenter la lumière ayant des vibrations dans tous les plans perpendiculaires à la direction de propagation. Lorsque le faisceau arrive à la surface à un angle critique (angle de Brewster; représenté par la variable q sur la figure 1), le degré de polarisation du faisceau réfléchi est de 100%, l’orientation des vecteurs électriques étant perpendiculaire au plan d’incidence et parallèle à la surface réfléchissante. Le plan d’incidence est défini par les ondes incidentes, réfractées et réfléchies. Le rayon réfracté est orienté à un angle de 90 degrés par rapport au rayon réfléchi et n’est que partiellement polarisé.
Pour l’eau (indice de réfraction de 1,333), le verre (indice de réfraction de 1.515), et le diamant (indice de réfraction de 2,417), les angles critiques (de Brewster) sont respectivement de 53, 57 et 67,5 degrés. La lumière réfléchie par la surface d’une autoroute à l’angle de Brewster produit souvent un éblouissement gênant et distrayant, ce qui peut être démontré assez facilement en regardant la partie éloignée d’une autoroute ou la surface d’une piscine par une journée chaude et ensoleillée. Les lasers modernes tirent généralement parti de l’angle de Brewster pour produire une lumière polarisée linéairement à partir de réflexions sur les surfaces en miroir positionnées près des extrémités de la cavité laser.
Auteurs contributeurs
Mortimer Abramowitz – Olympus America, Inc., Deux Lecteur de Centre d’entreprise., Melville, New York, 11747.
John C. Long, Matthew J. Parry-Hill et Michael W. Davidson – National High Magnetic Field Laboratory, 1800 East Paul Dirac Dr., Université d’État de Floride, Tallahassee, Floride, 32310.
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