Composants et dispositifs Expériences présentées en cours Lunettes 3D devant un écran d ordinateur portable à cristaux liquides non réciprocité entre les deux sens d utilisation des lunettes Propagation à travers un cristal biréfringent: doubles images et trajet d un rayon laser Pouvoir rotatoire du sucre intensité et polarisation de la lumière diffusée Biréfringence induite par contrainte (sur plastique souple)
Composants et dispositifs Expérience présentée en cours montrant le pouvoir rotatoire du sucre Un faisceau laser vert polarisé linéairement se propage au travers d une colonne en verre remplie d un sirop de sucre. On observe la lumière verte diffusée par le sirop sur le côté de la colonne, à la perpendiculaire de la direction de propagation du faisceau laser. Cette lumière présente des variations périodiques d intensité en fonction de la longueur parcourue par le faisceau à travers le sirop. Les zones de forte intensité se déplacent lors que l observateur tourne autour de la colonne. On place sur le trajet du faisceau laser avant l entrée dans la colonne une lame demi-onde que l on fait tourner lentement à l aide d un moteur. Les zones de forte intensité diffusées se déplacent le long de la colonne, donnant l impression de voir une hélice en rotation dans la colonne. On peut aussi éclairer la colonne par le travers en lumière blanche (lampe à iode suivie d un polariseur): on observe alors la lumière transmise à travers un polariseur: les variations de couleur traduisent la variation rapide du pouvoir rotatoire avec la longueur d onde.
NW polarisation 1A 3 Composants et dispositifs utilisant la polarisation de la lumière 1. Composants utilisant les matériaux biréfringents (linéaires): A. prismes de Rochon et Wollaston, polariseurs de Glan B. Modulateurs à cristaux liquides (écrans) C. Cellule Pockels (modulateur électrooptique) D. Composants à fibres optiques sous contrainte 2. Rotateurs 1. Le (super) pouvoir rotatoire du sucre 2. Les isolateurs optiques à effet Faraday
1-A Prismes de Rochon et Wollaston NW polarisation 1A 4 Principe du séparateur biréfringent n e >n o Composants basés sur ce principe (cf TD n 2) Rochon (ici en calcite) Wollaston (quartz)
1-A Polariseurs de Glan NW polarisation 1A 5 Principe du polariseur à réflexion totale n e >n o Composants basés sur ce principe Lame d air Colle d indice 1,55 (intermédiaire entre n o et n e ) Glan Foucault ou Taylor (calcite) Glan Thompson (calcite)
1-A Lames demi-onde et quart d onde NW polarisation 1A 6 Aspects pratiques Ordre zéro ou ordre multiple: Lame demi-onde d ordre zéro en quartz: λ=0.5µm n e - n o =0.009 e=28µm: très mince! Ø Lame d ordre multiple k (δ=λ/2+kλ) avec k pas trop élevé Ø Lame d ordre zéro avec deux lames δ 1 =kλ et δ 2 =λ/2+kλ d axes neutres croisés: δ global = δ 2 - δ 1 Ø Utilisation de polymère étiré: moins biréfringent (n e - n o nettement plus faible que le quartz), donc e plus grand Connaissance des axes lent et rapide: Inutile pour la lame demi-onde nécessaire pour la lame quart d onde si on veut le sens de rotation de la polarisation en sortie, mais alors il faut aussi connaître l ordre exact (δ= λ/4 et δ= 3λ/4 donnent le même état de polarisation mais le sens est inversé) Pas facile à déterminer (voir cours sur les interférences)
1-B Ecran à cristaux liquides NW polarisation 1A 7 Modèle simplifié du fonctionnement d un modulateur à cristal liquide: l orientation des molécules donne l orientation de l ellipsoïde des indices α E V=0 V 0 En l absence de tension appliquée Le cristal est anisotrope avec son axe optique // molécules Quand on applique une tension V0, les molécules s orientent le long du champ appliqué L axe optique tourne d un angle α qui augmente avec la tension α = 90 plus de biréfringence
NW polarisation 1A 8 1) Modulateur en transmission (rétroéclairé): on place le cristal entre polariseurs parallèles avec son axe optique à 45 des axes des polariseurs état noir si le déphasage vaut 180 (=lame demi-onde) et la tension V est nulle état «blanc» si la tension est V 0 telle que l angle de rotation α vaut 90 2) Modulateur en réflexion: Principe d un écran à cristaux liquides Electrode transparente Electrode ré*léchissante jouant le rôle de miroir polariseur V=0 Même principe mais la lame est 2 fois plus mince (lame quart d onde) pour qu un double passage aller et retour fasse un déphasage de 180
1-C Cellule POCKELS NW polarisation 1A 9 Principe: déformation de l ellipsoïde des indices sous l effet d un champ électrique (tension appliquée sur un cristal) Ellipsoïde initiale n e axe optique z n o Champ appliqué E // Oz y => Allure en coupe de l ellipsoïde modifiée sous l effet du champ (direction z inchangée) y x x x 2 n o 2 + y2 n o 2 + z2 n e 2 =1 X 2 n X 2 + Y 2 n Y 2 + z2 n e 2 =1 nx = no 1 2 n 3 ore n Y = n o + 1 2 n 3 ore
1-D Composants à fibre optique sous contrainte NW polarisation 1A 10 courbure de la fibre biréfringence utilisées comme capteurs optiques problème de déformation de la polarisation à la propagation réalisation de lames λ/4 (boucle de diamètre 20mm) ou λ/2 (deux boucles) Les axes neutres de ces lames sont orientables en basculant le plan des boucles Contrôleur de polarisation FiberPro Figures extraites du catalogue de la société Newport rubrique «contrôle de la polarisation dans une fibre optique»
NW polarisation 1A 11 3-Rotateurs A - Pouvoir rotatoire naturel (ou activité optique) Certains matériaux, solides, liquides ou gazeux, présentent la propriété de faire tourner la direction d une polarisation linéaire (ou l axe d une elliptique) Cette propriété est liée à l absence d un centre de symétrie au niveau de la maille cristalline ou à la présence de molécules chirales (qui ne sont pas identiques à leur image dans un miroir) L angle de rotation est proportionnel à l épaisseur traversée, à la concentration du milieu (pour les liquides et les gaz) et inversement proportionnel au carré de la longueur d onde Nombreuses applications en chimie et en biologie: permet de reconnaître des énantiomères qui n ont pas les mêmes propriétés chimiques (cf travaux de Pasteur, problème lié à la thalidomide dans les années 60). On peut décrire ce pouvoir rotatoire en terme de biréfringence circulaire: les états circulaires gauche et droit subissent des déphasages différents Dans la base d états linéaires, la matrice de Jones d un tel matériau est celle d un rotateur
Composants et dispositifs NW polarisation 1A 12 Exemples de substances optiquement actives Certaines substances provoquent une rotation vers la gauche (levogyre), d autres vers la droite (dextrogyre) par rapport à l observateur. Un mélange à concentrations égales (racémique) ne présente pas de pouvoir rotatoire. Dans le vivant, une seule chiralité existe pour une molécule donnée. Exemple de molécule chirale: l acide aminé alanine Alanine synthétique Lévogyre Alanine naturelle dextrogyre n D -n G 10-2 (n e -n o ) Exemple de cristal à pouvoir rotatoire: le quartz Si la lumière se propage // à l axe optique, il n y a pas de biréfringence linéaire : seule la biréfringence circulaire est observée.