De belles couleurs grâce à la biréfringence

 

4.1 Matériel

  • Ruban adhésif transparent
  • Morceau de Plexiglass
  • Filtre polarisant ou lunettes fumées polarisées
  • Écran lumineux d’un ordinateur ou téléviseur

4.2 Protocole

  • Coller du ruban adhésif sur un bout de plexiglass, à 45° de la verticale. Appliquer une couche à un endroit et 2 ou plusieurs couches à un autre, en décalant légèrement le ruban à chaque fois.
  • Placer un filtre polarisant droit devant le plexiglass et le tourner.
  • Alternative: coller du ruban directement sur un filtre polarisant à 45° de la verticale. Placer celui-ci devant un écran avec le ruban du côté de l’écran.

     

Figure 1 : Gauche :  Du ruban adhésif collé sur un morceau de plexiglass. Centre : Le même morceau de plexiglass, mais avec un filtre polarisé horizontalement placé devant. Droite : Le même morceau de plexiglass, mais avec un filtre polarisé verticalement placé devant. Les différentes couleurs peuvent être crées grâce à des couches additionnelles de ruban adhésif.

 

4.3 Explication

Cette expérience simple a pour but de démontrer la biréfringence du ruban adhésif. L’utilisation du filtre permet de voir l’effet qu’a le ruban adhésif sur la lumière. Normalement, le filtre devrait permettre de voir l’apparition de couleurs à l’endroit où se trouve le ruban adhésif.

Pour le bon fonctionnement de cette expérience, il faut avoir une source de lumière polarisée. Un écran d’ordinateur peut très bien jouer ce rôle. En effet, les écrans émettent tous de la lumière polarisée, la plupart d’entre eux de la lumière polarisée presque entièrement verticalement. Ainsi, la lumière qui passe dans le ruban est donc majoritairement polarisée verticalement.

Ce qui rend le ruban adhésif un matériau de choix pour cette expérience lumineuse, c’est qu’il est biréfringent, tout comme le cristal de calcite. La biréfringence implique qu’il y a deux chemins possibles pour un photon et que ce dernier peut voyager à deux vitesses à travers le ruban.

Comme l’explique la réflexion quantique Voir double grâce à l’intrication , le chemin que prendra le photon dépend directement de sa polarisation, une propriété intrinsèque de la lumière. Il en est de même pour la vitesse que prendra le photon à travers le ruban adhésif. Ce dernier est composé de longues molécules de polymères. Si la polarisation du photon est parallèle à l’orientation de ces molécules, on dit qu’il se trouve dans l’axe lent et le photon voyagera par conséquent plus lentement. Si la polarisation du photon est  perpendiculaire, il se trouve dans l’axe rapide et voyagera plus rapidement. Ainsi, la polarisation est reliée à la vitesse. Qu’est-ce qui explique alors les différentes couleurs perçues?

Si l’on considère la lumière provenant d’un écran, celle-ci n’est pas composée d’un seul photon mais bien d’un ensemble de faisceaux lumineux de différentes couleurs (longueurs d’onde). La vitesse à laquelle la lumière voyage dépend du milieu dans lequel elle se trouve, valeur définie par l’indice de réfraction. Ce dernier est donné par le ratio entre la vitesse de la lumière dans le vide et sa vitesse dans le matériau. Remarquons que la vitesse de la lumière dépend de sa longueur d’onde, les différents faisceaux de la lumière blanche ne voyageant donc pas nécessairement toujours à la même vitesse. Élément important: les matériaux biréfringents ont deux indices de réfraction, ce qui veut dire que la lumière peut voyager à deux vitesses différentes dans ceux-ci. À titre de référence, la lumière, ainsi que toutes les autes ondes électromagnétiques, voyagent dans le vide à une vitesse d’environ 300 000 km/s.

Le ruban adhésif, étant biréfringent, a donc deux indices de réfraction : Un associé à l’axe lent, et le second à l’axe rapide. Chacune des longueurs d’ondes du faisceau peut voyager à deux vitesses différentes, en fonction de leur polarisation. À la sortie, le faisceau original a été décomposé en longueurs d’ondes qui ont leur propre vitesse dans le ruban. Ainsi, le faisceau ne se recombine pas de la même manière qu’à l’entrée. C’est ce retard entre les composantes horizontales et verticales du faisceau qui est responsable des couleurs. Dépendamment de l’épaisseur du ruban adhésif, les couleurs observées seront différentes, car la recombinaison des composantes à la sortie du ruban est différente dans chaque cas étant donné un plus long chemin passé dans le ruban.

Sources:

https://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_33.html

https://physlab.lums.edu.pk/images/c/ce/Cellophane1.pdf

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