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Loi de Malus : la lumière à travers des polariseurs, et l'angle de Brewster

Calculez l'intensité de la lumière qui traverse un polariseur selon son angle, et l'angle de Brewster pour lequel la lumière réfléchie est totalement polarisée.

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Vos paramètres
Lumière incidente
W/m²

Valeur hors limites

°

Valeur hors limites

Valeur hors limites

Valeur hors limites

Résultats

Intensité transmise

75,00 W/m²

Angle de Brewster

56,31 °

Part de la lumière incidente transmise
75,0 %
Loi de Malus : I = I₀ cos²θ
Angle de réfraction à l'incidence de Brewster
33,69 °

Une lumière qui vibre dans une seule direction

La lumière du Soleil ou d’une lampe vibre dans toutes les directions perpendiculaires à sa propagation : elle est dite naturelle, ou non polarisée. Un filtre polariseur ne laisse passer que la composante qui vibre selon son axe. En 1809, en observant à travers un cristal de spath d’Islande le reflet du soleil couchant sur les vitres du palais du Luxembourg, à Paris, Étienne-Louis Malus découvre que la lumière réfléchie est en partie polarisée. Il établit aussi la part de lumière polarisée qui traverse un second filtre :

I = I₀ cos²θ

  • I₀ est l’intensité de la lumière polarisée qui arrive sur le filtre.
  • θ est l’angle entre la direction de polarisation et l’axe du filtre.
  • I est l’intensité transmise.

À 0°, toute la lumière passe ; à 45°, la moitié ; à 90°, avec des filtres croisés, rien.

Lumière naturelle

Un premier polariseur transmet toujours la moitié d’une lumière naturelle, car la moyenne de cos²θ sur toutes les directions vaut un demi. Choisissez « Naturelle » dans le calculateur pour inclure ce premier filtre : l’analyseur agit alors sur la moitié restante.

L’angle de Brewster

Quand la lumière se réfléchit sur du verre ou de l’eau, le reflet est en partie polarisé. Pour un angle d’incidence particulier, il est totalement polarisé parallèlement à la surface. Le physicien écossais David Brewster l’a décrit en 1815 :

tan θB = n₂ ÷ n₁

À cet angle, les rayons réfléchi et réfracté sont exactement perpendiculaires.

Exemple

Une lumière polarisée de 100 W/m² arrive sur un analyseur tourné de 30° :

  • I = 100 × cos²(30°) = 100 × 0,75 = 75 W/m², soit 75 % de la lumière.

De l’air (n = 1,0) vers un verre (n = 1,5) :

  • Angle de Brewster : arctan(1,5) = 56,31°.
  • Le rayon réfracté fait 33,69° avec la normale.

Pour l’eau (n = 1,33), l’angle de Brewster vaut environ 53°.

Applications

  • Lunettes de soleil polarisantes : elles arrêtent les reflets sur la route, la neige ou l’eau, en grande partie polarisés horizontalement. Les pêcheurs et les skieurs les apprécient.
  • Écrans LCD : ils sont placés entre deux polariseurs, et les cristaux liquides font tourner la polarisation pour allumer ou éteindre chaque pixel. D’où l’écran qui paraît noir à travers des lunettes polarisantes sous certains angles.
  • Photographie : un filtre polarisant circulaire assombrit le ciel bleu et supprime les reflets sur l’eau et les vitrines.
  • Lasers : leurs fenêtres sont souvent inclinées à l’angle de Brewster, sans perte par réflexion pour une polarisation.
  • Cinéma 3D : chaque œil reçoit une polarisation différente.

Questions fréquentes

Qu'est-ce que la loi de Malus ?

Quand une lumière polarisée traverse un filtre polariseur, l'intensité transmise vaut I = I₀ cos²θ, où θ est l'angle entre la direction de polarisation et l'axe du filtre. Le physicien français Étienne-Louis Malus l'a découverte en 1809.

Que se passe-t-il avec une lumière naturelle ?

Un premier polariseur transmet la moitié de l'intensité d'une lumière non polarisée, quelle que soit son orientation. Un second polariseur, l'analyseur, suit ensuite la loi de Malus. Deux polariseurs croisés à 90° arrêtent toute la lumière.

Qu'est-ce que l'angle de Brewster ?

L'angle d'incidence pour lequel la lumière réfléchie par une surface est totalement polarisée parallèlement à cette surface : tan θB = n₂ ÷ n₁. De l'air vers un verre d'indice 1,5, il vaut environ 56,3°.

Pourquoi les lunettes polarisantes réduisent-elles les reflets ?

La lumière réfléchie par l'eau, la route ou le capot d'une voiture est fortement polarisée horizontalement, surtout près de l'angle de Brewster. Les verres polarisants ont un axe de transmission vertical et arrêtent l'essentiel de ces reflets.

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