Biréfringence - Définition

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Un cristal de calcite fait apparaître certaines lettres en double
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 (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...) biréfringent.

La biréfringence (La biréfringence est la propriété physique d'un matériau dans lequel la...), encore appelée double réfraction (La réfraction, en physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie...), s’explique par l’existence de deux indices de réfraction différents selon la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...). Ces deux indices sont appelés indice ordinaire no et indice extraordinaire noté ne. La biréfringence est la valeur sans dimension :

\Delta n=n_e-n_o\,

sachant que no est l'indice de réfraction (L'indice de réfraction d'un milieu à une longueur d'onde donnée mesure le facteur de...) de la polarisation perpendiculaire à l'axe d'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction....) du matériel, tandis que ne est l'indice de réfraction de la polarisation parallèle à l'axe d'anisotropie.

La biréfringence des cristaux

Quelques exemples de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) biréfringents (source).
Matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) no ne Δn
béryl 1.602 1.557 -0.045
calcite (La calcite est un minéral chimique ou biochimique (biominéralisation) composé de...) CaCO3 1.658 1.486 -0.172
calomel (Le calomel ou chlorure mercureux est un minéral plutôt rare de formule Hg2Cl2. On le...) Hg2Cl2 1.973 2.656 +0.683
glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) H2O 1.309 1.313 +0.014
niobiate de lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) LiNbO3 2.272 2.187 -0.085
fluorure de magnésium (Le magnésium est un élément chimique, de symbole Mg et de numéro atomique 12.) MgF2 1.380 1.385 +0.006
quartz SiO2 1.544 1.553 +0.009
rubis (Le rubis est la variété rouge de la famille minérale corindon. Sa couleur est...) Al2O3 1.770 1.762 -0.008
rutile (Le rutile est une espèce minérale composée de dioxyde de titane de formule TiO2 avec...) TiO2 2.616 2.903 +0.287
péridot (Péridot est le nom donné à l'olivine lorsqu'elle est utilisée en joaillerie...) 1.690 1.654 -0.036
saphir (Le saphir est une variété gemme de corindon pouvant présenter de multiples couleurs,...) Al2O3 1.768 1.760 -0.008
nitrate de sodium (Le nitrate de sodium ou Salpêtre du Chili (ne pas confondre avec le nitrate de potassium) est...) NaNO3 1.587 1.336 -0.251
tourmaline (Le terme tourmaline ne désigne pas une espèce minérale mais un groupe de...) 1.669 1.638 -0.031
zircon (Le mot zircon provient soit de l'arabe zarqun, « cinabre », ou du perse zargun,...) (max) ZrSiO4 1.960 2.015 +0.055
zircon (min) ZrSiO4 1.920 1.967 +0.047

Du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) de la cristallographie (La cristallographie est la science qui se consacre à l'étude des substances cristallines...), 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 (Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide...) sont parfois biréfringents.

D'après l'optique non-linéaire (Lorsqu'un milieu matériel est mis en présence d'un champ électrique , il est...), la biréfringence peut aussi être créée par un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique :

  • on parle d’effet Pockels ou effet électro-optique du premier ordre lorsque la biréfringence est proportionnelle au champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) appliqué. Cet effet se produit dans les cristaux non centro-symétriques.
  • si la biréfringence est proportionnelle au carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses...) du champ électrique on parle d’effet Kerr. L’effet Kerr peut intervenir pour des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) 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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) 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 (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...), 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 (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut...) ou de basse fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) 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 (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance...).
  • 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 (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) (biréfringence magnétique du vide).
  • L'effet Kerr magnéto-optique s’observe par réflexion sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) 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.
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 (L'interférométrie est une méthode de mesure qui exploite les interférences...). Les liquides peuvent également présenter une biréfringence sous contrainte mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...). Les contraintes étant généralement observées en régime d’écoulement stationnaire, on parle de biréfringence d’écoulement.

Applications

Réfringence dans un basalte
Réfringence dans un basalte (Le basalte est une roche volcanique issue d'un magma refroidi rapidement au contact de l'eau ou de...)

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 (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...). 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 (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) à étudier, prend du retard par rapport à l'autre, et l'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type...) 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 (Un minéral est une substance normalement inorganique, plus rarement organique, formée...), différents cristaux de biréfringences différentes, qui apparaîtront avec une couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) et une luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit...) différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...).

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

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