Rien de plus banal qu'un dévidoir de ruban adhésif ? Observé entre deux filtres polarisants, il se pare pourtant de magnifiques couleurs ! Dans cette page, nous allons montrer comment faire apparaître des couleurs sur certains objets transparents, en utilisant une propriété de la lumière qu'on appelle la polarisation.

Nous sommes généralement peu familiers avec cette caractéristique de la lumière, car nos yeux n'y sont pas sensibles. Pourtant elle a de nombreuses applications : elle est utilisée en particulier dans la plupart des écrans lumineux d'aujourd'hui. Nous allons commencer par mettre en évidence cette caractéristique de la lumière à l'aide d'un filtre polarisant. Ensuite nous verrons comment utiliser deux filtres polarisants pour faire apparaître des couleurs sur des objets qui n'en ont pas.

• Un filtre polarisant, pour analyser la lumière. Pour une observation individuelle, un morceau de petite taille (permettant de couvrir un œil) suffit. Vous pouvez acheter ces filtres sous forme de feuilles que l’on peut découper à la taille voulue (voir la boutique du site), utiliser une paire de lunettes polarisantes (lunettes de Soleil ou de cinéma 3D) ou un filtre polarisant pour appareil photo.
  
• Divers objets en plastique transparent : règle, boitier de CD, cellophane, plastique d'emballage, stylo Bic, pochette à zip, emballage thermoformé, … Les résultats seront plus étonnants avec des plastiques qui ont subi des déformations.
• Une source de lumière polarisée suffisamment étendue pour pouvoir éclairer par transparence les objets en plastique choisis. Vous pouvez fabriquer une telle source en scotchant une feuille de filtre polarisant sur une fenêtre éclairée par la lumière du jour, ou utiliser un écran (d'ordinateur, de télévision, de smartphone) de type LCD (écran à cristaux liquides, qui contient à sa surface un filtre polarisant rectiligne) en y affichant si possible une page blanche.
• Pour la mosaïque (expérience bonus) : du ruban adhésif transparent non "invisible" (on doit voir à travers sans qu'il diffuse, c'est à dire comme à travers de l’eau et non comme à travers un brouillard ; les rouleaux premiers prix des grandes surfaces donnent généralement de bons résultats) ; une pochette plastique transparente ou un transparent pour rétroprojecteur.

Nous proposons ici d’utiliser un filtre polarisant rectiligne (dit aussi linéaire) pour analyser la polarisation de la lumière émise ou diffusée par les objets autour de nous. Voici la méthode : on place le filtre devant ses yeux (ou s'il est trop petit devant un seul œil, dans ce cas fermer l'autre), on observe une lampe ou un objet en tournant le filtre. Si on voit un assombrissement pour une certaine orientation du filtre, cela signifie que la lumière analysée est polarisée dans une certaine direction. Attention : le filtre ne protège pas les yeux des lumières trop intenses, il ne faut donc pas observer directement le Soleil ou un laser ! Si on veut tester la polarisation d'un laser, il faut diriger son faisceau par exemple vers un mur, mettre le filtre dans le faisceau et le tourner en observant le point d'impact du faisceau sur le mur.

• les reflets sur les surfaces lisses (sol, vitres, eau, …), surtout lorsqu’elles sont observées de biais,
• le ciel bleu (attention à ne pas regarder dans la direction du Soleil ! l’effet est de toute façon maximum si vous observez le ciel dans une direction à 90° du Soleil),
• la plupart des écrans lumineux (des ordinateurs, télévisions, smartphones et calculatrices),
• la lumière des lasers.

Pour certaines orientations du filtre, ces reflets sont fortement atténués, le ciel s’assombrit et certains écrans s'éteignent. C'est pour cela que les amateurs de haute montagne et les pêcheurs utilisent des lunettes de Soleil polarisantes, et que les photographes utilisent des filtres polarisants : en filtrant la lumière polarisée réfléchie sur la surface de l'eau ou de la glace, on évite d'être ébloui ; en assombrissant le bleu du ciel davantage que le blanc des nuages, on obtient des ciels plus contrastés. C'est un des rares effets impossible à obtenir par post traitement numérique de l'image !

Pour faire apparaître des couleurs de polarisation sur un objet en plastique transparent, il faut à la fois l'éclairer avec de la lumière polarisée et l’observer à travers un filtre polarisant. Suivant le matériel à votre disposition, la lumière polarisée pourra être produite avec une feuille de filtre polarisant ou avec un écran LCD. Par exemple, cette image d'un boitier de CD a été prise devant un écran d'ordinateur allumé affichant une page blanche, avec un filtre polarisant orienté de façon à couper complètement la lumière de l'écran, placé contre l'objectif de l'appareil photo.

Voici par étapes comment procéder :

• Commencez sans l'objet : observez l'écran (ou la feuille polarisante) à travers le filtre placé devant vos yeux ; tournez ce filtre jusqu'à ce que quasiment aucune lumière ne passe à travers : vous devez observer du NOIR. Si ce n'est pas le cas, réessayez après avoir retourné le filtre (cf remarque ci-dessus concernant les lunettes 3D et filtres polarisants pour appareil photo).
  

• Sans tourner le filtre, cherchez l'orientation de l'objet qui donne les couleurs les plus contrastées.
• Si vous tournez d’un quart de tour le filtre placé devant vos yeux, sans bouger l'objet, vous verrez l'objet changer de couleur alors que le fond autour passe de NOIR à clair. Si vous vous concentrez sur une zone colorée, vous la verrez changer en sa couleur complémentaire : une zone MAGENTA devient VERTE, une zone JAUNE devient BLEUE, une zone ROUGE devient CYAN, et inversement.

Cette expérience peut paraître "magique" mais bien sûr les scientifiques savent aujourd’hui expliquer ce qui se passe dans le matériau (ici du plastique) pour que la lumière polarisée disparaisse ou réapparaisse colorée après la traversée de l'objet puis du filtre polarisant. Vous en trouverez une explication ici. On peut dire simplement que cette apparition de couleur est liée au fait que les différentes directions de l'espace ne sont pas équivalentes pour la lumière dans le matériau. Dans les objets en plastique photographiés ici, cette propriété (appelée biréfringence) est due à une déformation : ils ont subi au cours de leur fabrication une contrainte mécanique (étirement, compression, ...).

Les scientifiques utilisent ainsi la lumière polarisée pour faire apparaître des contrastes colorés dans les images d'objets quasi transparents en lumière habituelle. La couleur de polarisation est par exemple très utilisée en géologie, dans les microscopes polarisants, pour identifier les minéraux présents dans une roche. En mécanique, elle permet de visualiser les contraintes subies par un matériau quand on le déforme. On peut donc dire qu'elle rend visible l'invisible !

Pour finir nous vous invitons à réaliser une œuvre artistique originale : éclairée par derrière par une lumière polarisée, elle sera insignifiante pour nos yeux tant qu’ils ne sont pas équipés de filtre polarisant et basculera entre deux ambiances (couleurs chaudes ou froides, sur fond noir ou clair) en tournant le filtre d’un quart de tour. Une feuille plastique transparente servira de support à l’œuvre, un simple un rouleau de ruban adhésif servira de « peinture ». Votre « palette de couleurs » sera déterminée par le type de ruban adhésif choisi et le nombre de couches superposées.

Cette photo montre des essais obtenus avec différents rouleaux : on voit que tous ne permettent pas d'obtenir des couleurs variées, il est donc parfois nécessaire de tester plusieurs marques. Pour un type de ruban donné, la couleur obtenue dépend du nombre d'épaisseurs superposées dans la même direction. Vous pouvez vérifier que si vous superposez deux rubans perpendiculairement l’un à l’autre, leurs effets se retranchent : on obtient la même chose là où deux rubans perpendiculaires se croisent et là où il n’y a aucun ruban. Maintenant, à vous d'imaginer une œuvre originale utilisant ce médium un peu particulier ! Pour vous inspirer, voici deux œuvres que vous reconnaitrez sans doute, reprises en art polarisant par AL King des Ateliers Lumière :