Biréfringence
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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 cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie, tout solide...) biréfringent.

La biréfringence (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,...), encore appelée double réfraction (En physique des ondes — notamment en optique, acoustique et sismologie — le phénomène de réfraction est la déviation d'une onde lorsque la vitesse de celle-ci change entre deux...), s’explique par l’existence de deux indices de réfraction différents selon la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une tension pour créer du...) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...). 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 provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. La notion d'indice a...) de la polarisation perpendiculaire à l'axe d'anisotropie (L'anisotropie (contraire d'isotropie) est la propriété d'être dépendant de la direction. Quelque chose d'anisotrope pourra présenter différentes caractéristiques selon 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 faire des objets.) biréfringents (source).
Matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et...) no ne Δn
béryl 1.602 1.557 -0.045
calcite CaCO3 1.658 1.486 -0.172
calomel (Le calomel ou chlorure mercureux est un minéral plutôt rare de formule Hg2Cl2. On le trouve généralement en association avec le cinabre. Il a été décrit pour la première...) 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 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 causée principalement par la présence d'oxyde de chrome (les...) Al2O3 1.770 1.762 -0.008
rutile TiO2 2.616 2.903 +0.287
péridot 1.690 1.654 -0.036
saphir (Le saphir est une variété gemme de corindon pouvant présenter de multiples couleurs, sauf la couleur rouge qui désigne alors uniquement...) Al2O3 1.768 1.760 -0.008
nitrate (Les nitrates (autrefois nommés nitre, souvent synonyme de salpêtre) sont les sels de l'acide nitrique. La formule chimique de l’ion nitrate est NO3−.) de sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas à l'état...) NaNO3 1.587 1.336 -0.251
tourmaline 1.669 1.638 -0.031
zircon (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 l'interprétation des rayonnements lumineux.) 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 (Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé. On exprime son état par le terme de mésophase.) sont parfois biréfringents.

D'après l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) non-linéaire, 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 (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance 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 quatre côtés ont la même longueur et ses quatre angles la même mesure. Un carré est à la fois un...) 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 quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) 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 étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant...) 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 (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en tout point de...) statique (Le mot statique peut désigner ou qualifier ce qui est relatif à l'absence de mouvement. Il peut être employé comme :) ou de basse fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot...) 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 d’information avec des moyens électroniques. Ce terme est plus utilisé que le terme synonyme officiel...).
  • 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 plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et...) 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 intervenant entre plusieurs ondes cohérentes entre elles.). Les liquides peuvent également présenter une biréfringence sous contrainte mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un mouvement, une...). Les contraintes étant généralement observées en régime d’écoulement stationnaire, on parle de biréfringence d’écoulement.

Applications

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 plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments invisibles à l'œil nu,...). 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 un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) 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 se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène...) 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 (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) et une luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie...).

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

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