3-Composants et dispositifs

NW optique physique II
Chapitre III: Composants et dispositifs
utilisés en optique anisotrope
1. Composants passifs: polariseurs, lames retard
2. Composants actifs: anisotropie créée par un champ externe
• • • • 3. Effet électrooptique: exemple du KDP
Cristaux liquides
Effet acoustooptique
Effet magnétooptique
Pouvoir rotatoire ou anisotropie circulaire:
Exemple de dispositif de mesures de concentration (saccharimétrie)
4. Effet Faraday
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NW optique physique II
1-Composants passifs
I. Polariseurs et séparateurs de polarisation
Différents types de polariseurs:
• polariseurs dichroïques: absorption sélective en polarisation
• empilement de lames à Brewster: coefficients de Fresnel en
incidence oblique dépendant de la polarisation
• polariseurs à grille: réseau de fils métalliques de période inférieure
à λ
• cubes séparateurs de polarisation à couches minces: interférences
à ondes multiples
• polariseurs biréfringents: séparation angulaire (Rochon, Wollaston)
ou réflexion totale (Nicol, Glan Taylor, Glan Thompson)
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NW optique physique II
Utilisation de l’incidence de Brewster à l’interface air/verre
Empilement de 10 lames à Brewster: T⊥/ T// =(1-0.15)20 =4%
Polarisation réfléchie: ⊥ au plan d’incidence ou s ou TE
Polarisation transmise: // au plan d’incidence ou p ou TM
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NW optique physique II
Polariseur à grille
(extrait du site de la société Moxtek)
144nm
100 à
200 nm
65nm
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NW optique physique II
Principe du séparateur biréfringent
ne>no
Composants basés sur ce principe
Rochon
Wollaston
(ici en calcite)
(quartz)
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NW optique physique II
Principe du polariseur à réflexion totale
ne>no
Composants basés sur ce principe
Lame d’air
Glan Foucault ou
Taylor (calcite)
Colle d’indice 1,55 (intermédiaire entre no et ne)
Glan Thompson
(calcite)
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NW optique physique II
Comparaison des principales caractéristiques
Type de
polariseur
Taux
extinction
Perte
Coût
Champ
angulaire
Largeur
spectrale
Applications
Dichroïque
(polaroïd)
10-3 à 10-4
Élevée
~35%
Faible
Grand
Typ 90°
Large
Typ
300nm
Utilisation courante,
spectres larges et
faibles flux
Lames
Brewster
4.10-2 avec
10 lames
Quasi
nulle
Très
faible
Moyen
Très
large
Dans les cavités
lasers, fortes
puissances
Polariseurs à
couches
minces
Typ 10-2
Possib. 10-4
Faible
~2%
Cher
Faible
Étroite
Cubes séparateurs,
lasers puissance
moyenne
Polariseur à
grille
1 à 2. 10-3
~10%
Polariseurs
biréfringents
(Rochon,
Wollaston,
Glan, …)
Typ 10-5
Très
faible
20°
Très
cher
Moyen
10 à 30°
Afficheurs à cristaux
liquides
Très
Large
Interféromètres,
isolateurs optiques,
nécessité d’une gde
pureté de
polarisation
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NW optique physique II
II. Lames déphasantes ou lames retard
Lames cristallines – déphasage en incidence
normale
Lame biréfringente à faces parallèles taillée parallèlement à
l’axe optique Ox
Déphasage produit en incidence normale:ϕ= 2π/λ (ne – no)e
Uniaxe positif (quartz en général)
Vibration ordinaire //Oy: indice no <ne
axe rapide
Vibration extraordinaire //Ox: indice ne
axe lent
Les deux axes sont appelées les lignes neutres de la lame
Composants standard: lames demi-onde (ϕ=π) et quart
d’onde (ϕ=π/2)
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NW optique physique II
Lame demi onde: aspects pratiques
• Connaissance des axes lent et rapide pas nécessaire
(ne change
que la phase absolue de la polarisation sortante, pas sa forme ni son sens)
• Ordre zéro ou ordre multiple
Lame demi-onde d’ordre zéro en quartz:
λ=0.5µm
ne- no =0.009 ⇒e=28µm: très mince!
En général lame d’ordre multiple k (δ=λ/2+kλ) mais dépendance
encore plus forte avec:
- la longueur d’onde (δ’=λ/2+kλ+(k+1/2)Δλ)
- l’angle d’incidence (calcul sera vu au chap VI)
- la température (variation d’indice)
 Préférence aux lames d’ordre faible
 Lame d’ordre zéro réalisable avec deux lames δ1=kλ et δ2=λ/2+kλ
d’axes neutres croisés: δglobal = δ2 - δ1
 Utilisation de polymère étiré: moins biréfringent (ne- no
nettement plus faible que le quartz), donc e plus grand (mais
qualité optique moins bonne et absorption)
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Lame quart d’onde: aspects pratiques
Ordre zéro ou ordre multiple:
• rmqs analogues à lame demi-onde
• pb supplémentaire pour lame d’ordre multiple car ϕ= π/2
n’est en général défini que modulo π (δ= λ/4+kλ/2 ) ce qui
implique une indétermination sur le sens de rotation de la
polarisation sortante
Connaissance des axes lent et rapide:
• nécessaire 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 chap VI)
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NW optique physique II
Lames retard utilisant la réflexion totale
Au lieu d’utiliser un matériau biréfringent, on utilise le
déphasage entre TE et TM à la réflexion totale verre/air:
ϕ=45° pour n=1,511 et i=54°43’
Rhomboèdre de Fresnel
Lame quart d’onde
Lame demi onde
Intérêt: lames retard achromatique, matériau bon marché
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NW optique physique II
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2-Composants actifs
Introduction
• Anisotropie induite par des champs externes: E, mécanique, B
→ On peut passer d’isotrope à uniaxe
d’uniaxe à biaxe
d’uniaxe à uniaxe d’axes différents
d’uniaxe à uniaxe d’indices différents
En général les variations d’indice induites sont faibles et il faut
des champs élevés ou de grandes épaisseurs
Toutefois les développements technologiques permettent d’avoir
des effets importants avec des champs faibles (cristaux liquides,
modulateurs en optique guidée pour applications télécoms,…)
NW optique physique II
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Introduction
• Tous les outils ont été vus dans le cas de l’anisotropie
naturelle, il reste à relier la caractérisation des indices propres
du matériau à la contrainte appliquée
• Ce cours a pour but de balayer rapidement les effets existants
et quelques applications, de renvoyer à des références pour plus
de détails (voir en particulier le livre de S. Huard) et à d’autres
cours qui suivront (ondes couplées, composants
électrooptiques, visualisation, etc)
• Immense champ d’application
NW optique physique II
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I. Effets électrooptiques
Variation d’indice sous l’effet d’un champ E statique, oscillant voire laser
Rappel sur l’ellipsoïde des indices et ses propriétés
On porte la valeur de n dans la direction de D
Pour un milieu uniaxe positif par exemple:
Équation de l’ellipsoïde dans ses axes propres:
Pour une direction k de propagation, la
section de l’ellipsoïde par un plan perp à
k contenant le centre O donne une
ellipse dont gd axe et petit axe donnent
les vibrations propres et les indices
correspondants
NW optique physique II
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Déformation de cette ellipsoïde - Effets Kerr et Pockels
On caractérise l’effet du champ E par la déformation de l’ellipsoïde qui devient dans
le cas général :
Chaque terme 1/nij2 peut a priori comprendre
• des termes proportionnels à E : effet Pockels
• et des termes en E2 : effet Kerr
Pas de termes en E si le milieu est initialement isotrope
NW optique physique II
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Effet Pockels
Dans le cas d’un milieu initialement anisotrope, on écrit la
variation des termes 1/nij2 en fonction des composantes Ex,
Ey, Ez du champ appliqué sous la forme tensorielle suivante:
Matrice qui
caractérise la
réponse
électrooptique du
milieu
NW optique physique II
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Exemple: effet Pockels dans le KDP (cf TP 2e année)
Matrice électro-optique
Allure en coupe de l’ellipsoïde
y
Champ appliqué
x
E // Oz
z
β
Ordres de grandeur
rij=10-10 à 10-12 m/V
LiNbO3
Δn~10-3 pour 107 V/m=10V/µm
ADP, KDP (visible)
AsGa (infrarouge)
x
E // Oy
β et Δn ∝ E
NW optique physique II
Cas particulier des cristaux liquides
α
E
V=0
V
Biréfringence
Biréfringence ↓ quand α ↑ (ie V ↑)
axe // molécules
α = 90° → plus de biréfringence
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NW optique physique II
Applications
• Modulateurs d’état de polarisation ou d’intensité
• Déflecteurs
• Déphaseurs
• Afficheurs
• Commutateurs
Fréquences pouvant être très élevées, jusqu’à qques GHz
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NW optique physique II
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II. Effets photoélastiques
• Variation d’indice sous l’effet d’une contrainte mécanique
• Biréfringence linéaire d’axe // direction de la force de pression
• Phénomène pouvant être:
- génant: ne pas induire de contraintes lors du montage
d’éléments optiques
- utile: pour mesurer des contraintes, pour moduler,
défléchir, déphaser un faisceau
NW optique physique II
Mesure de contrainte par effet photoélastique
Illustrations:
- voir atlas des phénomènes optiques (bibl IOTA)
- Voir maquette plastique d’un pont au Palais de la
Découverte
- Démos sur rétroprojecteur entre polariseur et
analyseur: équerre, lunettes, …
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NW optique physique II
Effet acousto-optique
Onde de pression qui crée un réseau d’indice sur lequel le
faisceau est diffracté → modification de son intensité, de sa
direction, de sa fréquence (cf cours électro-optique de 2A)
Modulateurs photoélastiques
Lame biréfringente de déphasage oscillant entre 0 et π/2 ou
entre O et π à une fréquence de résonance du matériau (par
ex 50 kHz) et permettant de moduler l’état de polarisation
→ très utilisé dans les ellipsomètres commerciaux
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NW optique physique II
Cas particulier des fibres optiques
Utilisées comme capteurs optiques :
courbure de la fibre → biréfringence
Par ex une boucle de diamètre 20mm conduit à un
déphasage de π/2 (lame λ/4), deux boucles à une λ/2
→ « oreilles de Mickey »
Les axes neutres de ces lames sont orientables en basculant
le plan des oreilles
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NW optique physique II
3-Anisotropie circulaire
I. Pouvoir rotatoire naturel (ou activité optique)
Lois de Biot
On observe qu’à travers certaines substances, une
polarisation rectiligne est tournée d’un angle α:
• proportionnel à la longueur traversée
• proportionnel à la concentration (pour une solution)
• dépendant de la longueur d’onde en 1/λ2
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.
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NW optique physique II
I. Pouvoir rotatoire naturel (ou activité optique)
Exemples de substances optiquement actives
• Quartz cristallin, utilisé pour de la lumière se propageant
dans la direction de son axe optique
• Nicotine, essence de térébenthine, camphre, solution de
sucre, etc.
Origine microscopique: l’arrangement des atomes dans la
molécule est dissymétrique, la molécule n’est pas
superposable à son image dans un miroir (pour le quartz
c’est une dissymétrie dans le réseau cristallin)
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NW optique physique II
I. Pouvoir rotatoire naturel (ou activité optique)
Interprétation en terme de biréfringence circulaire
Du point de vue transformation de la polarisation, on peut
interpréter le pouvoir rotatoire comme un déphasage entre
les polarisations propres circulaire droite et circulaire
gauche avec :
α = (ϕd-ϕg)/2=π/λ(nd-ng)e
Rem: pour le quartz la biréfringence circulaire est 128 fois plus
petite que la biréfringence linéaire (ne-no)
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NW optique physique II
I. Pouvoir rotatoire naturel (ou activité optique)
Applications
• Dosage du sucre (saccharimétrie): 100°Z=34,626° (pour
λ=589,44nm) pour 26g de sucrose dans 100ml pour une
épaisseur traversée de 200mm
• Dosages ou contrôles de pureté de différentes substances
dans les industries agroalimentaires, pharmaceutiques,
cosmétiques et chimiques
• Analyseur à pénombre: biquartz de soleil
• Utilisation du pouvoir rotatoire du quartz en combinaison
avec de l’effet Faraday dans certains dispositifs optiques
(diode optique dans les lasers en anneau)
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NW optique physique II
II. Effet Faraday : pouvoir rotatoire provoqué par un
champ magnétique
Constante de Verdet
En appliquant un champ magnétique longitudinal sur de
nombreux matériaux isotropes, on obtient une rotation de
la polarisation:
α = Ve Bappliqué L (L longueur de matériau traversée)
Ve constante de Verdet en deg. T-1 . m-1
Sens de rotation fixé par le sens de B, indépendant du
sens de propagation de la lumière ≠ pouvoir rotatoire
naturel
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NW optique physique II
II. Effet Faraday : pouvoir rotatoire provoqué par un
champ magnétique
Quelques valeurs
Eau: Ve = 218°. T-1 . m-1
Flint (verre fortement dispersif): Ve = 528°. T-1 . m-1
TGG (Terbium Gallium Garnet): Ve = 12500°. T-1 . m-1 (ou
encore 0.75 min.Oe-1.cm-1)
Avec un barreau de TGG de 1cm dans un champ de 0.36T, on peut obtenir
une rotation de 45°
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NW optique physique II
II. Effet Faraday : pouvoir rotatoire provoqué par un
champ magnétique
Applications
• Mesure du champ magnétique interstellaire
• Modulation d’intensité d’un faisceau laser
• Isolateurs optiques
• Systèmes unidirectionnels dans les lasers en anneau
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NW optique physique II
III. Effets magnéto-optiques
• Variation d’indice sous l’effet d’un champ magnétique
• Effet Faraday: linéaire en B, induit une anisotropie circulaire
Δn~nd-ng ∝ B
• Il y a aussi des effets d’ordre supérieur en B comme l’effet
Kerr magnétique et l’effet Cotton-Mouton
L’effet Kerr magnétique est à la base du stockage de données
numériques sur disques magnéto-optique
- rotation de polarisation à la
réflexion due aux coef de Fresnel ≠
- effet inversé avec le sens de
l’aimantation
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