Biréfringence - Définition

Un cristal de calcite fait apparaître certaines lettres en double

La biréfringence est une propriété qu'ont certains matériaux transparents vis-à-vis de la lumière. Leur effet principal est de diviser en deux un rayon lumineux qui les pénètre. C'est pourquoi, sur la photographie ci-contre, certaines lettres apparaisent en double derrière un cristal biréfringent.

La biréfringence, encore appelée double réfraction, s’explique par l’existence de deux indices de réfraction différents selon la polarisation de la lumière. Ces deux indices sont appelés indice ordinaire n_o et indice extraordinaire noté n_e. La biréfringence est la valeur sans dimension :

sachant que n_o est l'indice de réfraction de la polarisation perpendiculaire à l'axe d'anisotropie du matériel, tandis que n_e est l'indice de réfraction de la polarisation parallèle à l'axe d'anisotropie.

La biréfringence des cristaux

Du point de vue de la cristallographie, les cristaux biréfringents présentent une anisotropie, c'est-à-dire que leur structure possède un ou deux axes privilégiés. Cette anisotropie a pour effet que le cristal ne transmet pas de la même façon les rayons lumineux selon leur polarisation.

De très nombreux cristaux sont biréfringents, comme le quartz ou la calcite. Ce dernier possède une biréfringence très marquée, visible à l’œil nu : en regardant à travers, les choses apparaissent en double.

Il existe deux types de cristaux biréfringents :

• les cristaux uniaxes (systèmes trigonal, tétragonal, hexagonal)
• et les cristaux biaxes (systèmes triclinique, monoclinique, orthorhombique).

Les cristaux cubiques sont isotropes, et ne présentent donc pas de biréfringence.

Autres causes de biréfringence

La distinction uniaxe/biaxe peut être étendue à la plupart des autres matériaux biréfringents. Par exemple, les cristaux liquides sont parfois biréfringents.

D'après l'optique non-linéaire, la biréfringence peut aussi être créée par un champ électrique :

• on parle d’effet Pockels ou effet électro-optique du premier ordre lorsque la biréfringence est proportionnelle au champ électrique appliqué. Cet effet se produit dans les cristaux non centro-symétriques.
• si la biréfringence est proportionnelle au carré du champ électrique on parle d’effet Kerr. L’effet Kerr peut intervenir pour des gaz et des liquides. Pour les cristaux il est généralement négligeable devant l’effet Pockels qui est beaucoup plus fort, sauf pour les cristaux ferroélectriques proches de la température de Curie tels que le perovskite.
• l’effet Kerr s’observe également à très haute fréquence : il peut être produit par le champ électrique même du rayon lumineux. On parle alors d’effet Kerr optique, et l’indice de réfraction varie linéairement avec l’intensité lumineuse. C’est cet effet qui est à l’origine du self-focusing (auto-focalisation) des faisceaux lasers de très forte intensité.

La biréfringence peut être induite par un champ magnétique :

• L’effet Faraday est une biréfringence circulaire ou pouvoir rotatoire qui apparaît si on applique un champ magnétique statique ou de basse fréquence parallèlement à la direction de propagation du rayon lumineux. La biréfringence créée est proportionnelle au champ magnétique. On parle alors de biréfringence magnétique circulaire. Cet effet est utilisé dans les isolateurs de Faraday, ou diodes optiques en télécommunications.
• L’effet Cotton-Mouton, appelé parfois effet Voigt exhibe une biréfringence créée par un champ magnétique perpendiculaire à la direction de propagation. La biréfringence est alors proportionnelle au carré du champ appliqué. Il s’agit d’une biréfringence linéaire et non circulaire. L’effet est faible sauf dans des cas particuliers (suspensions colloïdales avec particules métalliques). Il existe également un effet Cotton-Mouton dans le vide (biréfringence magnétique du vide).
• L'effet Kerr magnéto-optique s’observe par réflexion sur une surface d’un matériau soumis à un champ magnétique. Ces effets sont proportionnels au champ magnétique, comme l’effet Faraday, mais ne s’apparentent pas à la biréfringence. Une application bien connue est celle des disques et lecteurs magnéto-optiques.
  

Exemple de photoélasticimétrie.

Les cristaux soumis à des contraintes mécaniques peuvent présenter une biréfringence : on parle de photoélasticité. Lorsque le matériau est transparent, cet effet permet de visualiser les contraintes par interférométrie. Les liquides peuvent également présenter une biréfringence sous contrainte mécanique. Les contraintes étant généralement observées en régime d’écoulement stationnaire, on parle de biréfringence d’écoulement.

Applications

Réfringence dans un basalte

Il existe de nombreuses applications de la biréfringence.

Les propriétés de double réfraction de cristaux tels que le quartz ou la calcite sont utilisées en optique pour former des polariseurs ( prisme de Glan-Thompson, prisme de Glan-Taylor, prisme de Nicol, ...) ou des diviseurs de faisceaux (prisme de Rochon et prisme de Wollaston). On peut aussi utiliser le double indice de réfraction pour fabriquer des lames à retard.

La biréfringence est largement utilisée en microscopie. Le microscope de Normasky et les microscopes polarisants permettent de visualiser des objets de faible contraste : les deux rayons dûs à la biréfringence peuvent interférer entre eux. Un des deux rayons, en traversant l'objet à étudier, prend du retard par rapport à l'autre, et l'interférence obtenue dépend de ce retard. Ce microscope permet donc d’observer directement les variations d’épaisseur d’un objet transparent. Cette technique permet de différencier, dans un minéral, différents cristaux de biréfringences différentes, qui apparaîtront avec une couleur et une luminosité différente.

La photoélasticité des matériaux permet de visualiser les contraintes présentes à l'intérieur par la méthode de photoélasticimétrie.