Expériences présentées en cours • Lunettes 3D devant un écran d

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. 
B. 
C. 
D. 
prismes de Rochon et Wollaston, polariseurs de Glan
Modulateurs à cristaux liquides (écrans)
Cellule Pockels (modulateur électrooptique)
Composants à fibres optiques sous contrainte
2.  Rotateurs
1. 
2. 
Le (super) pouvoir rotatoire du sucre
Les isolateurs optiques à effet Faraday
1-A
Prismes de Rochon et Wollaston
NW polarisation 1A
Principe du séparateur biréfringent
ne>no
Composants basés sur ce principe (cf TD n°2)
Rochon
Wollaston
(ici en calcite)
(quartz)
4
1-A
NW polarisation 1A
Polariseurs de Glan
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)
5
1-A
Lames demi-onde et quart d’onde
NW polarisation 1A
Aspects pratiques
Ordre zéro ou ordre multiple:
Lame demi-onde d’ordre zéro en quartz:
λ=0.5µm
ne- no =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 δ1=kλ et δ2=λ/2+kλ d’axes
neutres croisés: δglobal = δ2 - δ1
Ø Utilisation de polymère étiré: moins biréfringent (ne- no
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)
6
1-B
Ecran à cristaux liquides
NW polarisation 1A
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
En l’absence de
tension appliquée
Le cristal est
anisotrope avec
son axe optique //
molécules
V0
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
7
NW polarisation 1A
8
Principe d’un écran à cristaux liquides
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 V0 telle que l’angle de rotation α vaut 90°
2) Modulateur en réflexion:
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
Allure en coupe de l’ellipsoïde
modifiée sous l’effet du champ
(direction z inchangée)
y
Champ appliqué
axe optique z
ne
E // Oz
no
y
=>
x
x
2
2
2
x
y z
+ 2 + 2 =1
2
no no ne
X 2 Y 2 z2
+ 2 + 2 =1
2
nX nY ne
1
nX = no − no3rE
2
1 3
nY = no + no rE
2
NW polarisation 1A
10
1-D Composants à fibre optique sous contrainte
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
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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
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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
Exemple de cristal à
pouvoir rotatoire: le quartz
nD-nG≈10-2(ne-no)
Si la lumière se propage // à l’axe
optique, il n’y a pas de biréfringence
linéaire : seule la biréfringence
circulaire est observée.