indice de réfraction de matériaux solides transparents

PROJET
Propriétés optiques des matériaux : indice de réfraction de matériaux
solides transparents
LABORATOIRE
LNE-LCM (Laboratoire commun de
métrologie LNE-Cnam)
ANNEE DE LANCEMENT DU PROJET
2007
DOMAINE
INTERESSANT POUR
Rayonnements optiques
– Industrie optique : instrumentation et
matériau ;
– Traçabilité des mesures optiques.
OBJECTIFS
– Développement des méthodes et moyens de référence pour les mesures d’indice de réfraction de
verre dans le domaine visible ;
– Répondre aux besoins d'étalonnages en indice de réfraction.
RÉSUMÉ DU PROJET ET RÉSULTATS
Depuis 2006, plus aucun laboratoire en France ne réalisait d'étalonnage en indice de réfraction sur des
matériaux solides et transparents. Ces étalonnages étaient jusqu'alors réalisés par l'Institut d'Optique à
Orsay (IOTA) qui a cessé cette activité. Afin de répondre à ses propres besoins d'étalonnage en indice de
réfraction (utilisés comme étalons pour la mesure de brillant) et de répondre aux besoins industriels,
principalement ceux des utilisateurs de réfractomètres, le LCM a entrepris le développement des méthodes
et moyens de référence pour les mesures d’indice de réfraction de verre dans le domaine visible.
Pour se faire le LCM a bénéficié du transfert de moyens existants à l'Institut d'Optique d'Orsay : un
goniomètre de Rank Hilger et un réfractomètre Pulfrich dit « des lunetiers ». Le projet a consisté en
l’installation de ces instruments, en l’évaluation des performances de leurs différents composants et leur
remplacement si nécessaire et l’établissement du bilan d’incertitude de mesure de l’indice de réfraction de
verre de référence et d’étalonnage d’indice par comparaison à cette référence.
En traversant un milieu matériel transparent homogène, cette lumière de fréquence ν se propage à une
vitesse VA inférieure à c. Sa longueur d’onde λA dans le milieu, devient
λA =
VA
ν
L’indice de réfraction absolu nA dans le milieu A est défini par rapport aux caractéristiques de
propagation dans le vide :
nA =
c
λ
= 0 ,
VA λ A
et le rapport entre les indices de deux milieux différents est donc
n A VB λ B
=
=
,
nB V A λ A
où c est la vitesse de propagation de la lumière dans le vide (c’est une constante de la physique
fondamentale), V est la vitesse de propagation dans les autres milieux, λ est la longueur d’onde du
rayonnement qui se propage. L’indice 0 est utilisé pour les grandeurs se référant au vide, les indices A et B
sont respectivement employés pour se référer aux milieux A et B.
Les techniques de mesures objets de ce projet permettent la mesure de l’indice de réfraction d'un
échantillon par rapport à celui de l’air ambiant pour différentes longueurs d’onde du rayonnement.
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Le goniomètre permet la mesure précise des angles. Il est utilisé pour la mesure de l’indice de réfraction
de prismes. La méthode est une méthode de mesure absolue ne faisant appel qu’à des mesures d’angles,
c’est la méthode dite « du minimum de déviation ». Ces prismes dont l’indice est déterminé par méthode
absolue à l’aide du goniomètre sont utilisés comme référence pour les mesures par comparaison avec le
réfractomètre.
Collimateur d’éclairage
Lunette
auxiliaire
Lunette
autocollimatrice
Plateau rotatif
gradué
Oculaire lecture angle
Goniomètre
Le réfractomètre des lunetiers permet d’effectuer la mesure de l’indice de réfraction d’un échantillon
(lame de verre) par rapport à celui d’un prisme étalon (par comparaison). La lame est placée sur le prisme
et la méthode de mesure est la mesure de la déviation à incidence rasante. Le réfractomètre comprend une
lunette autocollimatrice à réticule, tournant autour d’un axe horizontal devant un cercle gradué pour lire la
direction de l'axe de visée.
Localisation du
codeur
Axe horizontal
Indicateur
Codeur
Lunette
Autocollimatrice
Réfractomètre
Les mesures sont effectuées à la température et à la pression du laboratoire. Elles sont mesurées par
des instruments étalonnés. L’indice de réfraction est déterminé à une longueur d’onde définie par le
rayonnement monochromatique de mesure. Il est généré par trois lampes spectrales (mercure, hélium
sodium). Les longueurs d’onde disponibles pour les mesures sont : 435,834 3 nm ; 546,074 0 nm ;
587,561 8 nm ; 589,293 8 nm et 706,518 8 nm.
Le laboratoire dispose de trois prismes étalons d’indice de réfraction de valeurs nominales d’indice
respectives de 1,6 ; 1,7 et 1,8. Après révision de l’instrument de mesure absolue, les indices de réfraction
de ces trois prismes de référence ont été déterminés.
Le projet est arrivé à son terme. Les installations de référence permettant la mesure de l'indice de
réfraction de matériaux solides transparents dans le visible ont été remises à niveau et les incertitudes de
mesure et d’étalonnage ont été évaluées.
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L’incertitude élargie (k = 2) sur la mesure de l'indice de réfraction d'un prisme varie de 25x10-6 à 29x10-6
en utilisant le goniomètre Rank Hilger et la méthode du minimum de déviation. L’incertitude élargie (k = 2)
sur l'indice de réfraction d'une lame mesuré en utilisant le réfractomètre des lunetiers et la méthode de
l’incidence rasante est de 45x10-6. Le graphe ci-dessous représente l’incertitude élargie (k = 2) sur l’indice
de réfraction mesuré par la méthode de l’incidence rasante par rapport aux trois prismes de référence de
valeur nominale 1,6 ; 1,7 et 1,8.
×10-6
50
40
30
prisme
1,6
20
prisme
1,7
prisme
1,8
10
0
1,2
1,26
1,32
1,38
1,44
1,5
1,56
1,62
1,68
1,74
1,8
Incertitude sur l’indice de réfraction d’une lame de verre mesuré en fonction de l’indice du prisme étalon utilisé comme
référence.
Le laboratoire a obtenu l’accréditation Cofrac pour les étalonnages de prismes et de lames de verre en
juin 2011.
Perspective : Une adaptation du réfractomètre des lunetiers est envisagée pour la mesure d’indice de
réfraction de liquides. Une faisabilité a été faite sur l’eau à température ambiante.
IMPACTS
Les installations vont permettre de répondre au besoin du LCM pour le raccordement des étalons de brillant
et aux besoins des industriels (pharmacie, laboratoires d’analyse, agroalimentaire…) pour l'étalonnage des
références utilisées pour la vérification des réfractomètres.
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