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Montage de physique n°11 (agrégation) :
Milieux optiquement actifs. Biréfringence et polarisation rotatoire.

Transcription des notes manuscrites de préparation à l'agrégation. Les schémas et le détail des calculs sont dans le document original : télécharger le montage manuscrit (PDF, 3 pages).

Introduction

Un matériau peut présenter une anisotropie optique, due à ses molécules ou provoquée par une action extérieure : biréfringence et activité optique, simultanées ou non.

Biréfringence linéaire

Mise en évidence de la double réfraction

Quartz-iode, diaphragme, lentille, prisme de spath et analyseur : deux images sur l'écran, l'extraordinaire (la moins déviée) et l'ordinaire (la plus déviée) ; l'analyseur éteint l'une ou l'autre.

Mesure de la biréfringence

• Lignes neutres perpendiculaires : P et A croisés, une lame entre eux rétablit la lumière ; en la tournant dans son plan, deux positions perpendiculaires rétablissent l'extinction.
• Mesure de \(\Delta n = |n_e - n_o|\) d'une lame de scotch au compensateur de Babinet.

Biréfringence circulaire : activité optique

Existence et mesure du pouvoir rotatoire

• En lumière monochromatique (laser, P, lame de quartz, A) : sans lame, P et A croisés ; avec la lame, la lumière est rétablie et il faut tourner A d'un angle \(\alpha\) pour rétablir l'extinction ; la rotation de la lame dans son plan ne change rien.
• Définition : \(\alpha = \pm\rho e\) (\(\alpha\) angle de rotation du plan de polarisation, \(\rho\) pouvoir rotatoire en rad/m, e épaisseur), connu modulo \(\pi\).
• Dépendance en longueur d'onde : \(\rho = \dfrac{\pi|n_g - n_d|}{\lambda} = \dfrac{\alpha}{e}\) (indices des vibrations circulaires gauche et droite) ; avec une QI et différents filtres, on vérifie que \(\rho\) varie en \(1/\lambda^2\) (\(|n_g - n_d|\) en \(1/\lambda\)).

Biréfringence circulaire induite : effet Faraday

Laser, polariseur, barreau de flint entre deux bobines créant \(\vec{B}\), analyseur à pénombre : on vérifie \(\beta = VBd\) (V constante de Verdet). Différence essentielle avec l'activité optique naturelle : le sens de rotation change selon que l'onde se propage dans le sens de \(\vec{B}\) ou en sens inverse.

Autres biréfringences induites

Effet Kerr

Biréfringence sous l'effet d'un champ électrique (effet quadratique) : laser, P, cellule de Kerr, A, écran ou photodiode ; P et A croisés à 45° des lignes neutres de la cellule (parallèle et perpendiculaire à \(\vec{E}\)). En augmentant la tension, la lumière est rétablie ; vers 600 V, la cellule est une lame demi-onde et l'on rétablit l'extinction en tournant A de 90°.

Effet photoélastique

Sous une contrainte mécanique, certains matériaux deviennent biréfringents (modification des symétries, anisotropie) : plexiglas entre P et A croisés (pas de lumière) ; l'application de la contrainte donne de l'éclairement, une ligne neutre étant parallèle à la contrainte.

Conclusion

Plusieurs types de matériaux optiquement actifs : biréfringents (spath), optiquement actifs (solution de saccharose), ou les deux (quartz). Il faut bien distinguer ces deux notions, et savoir qu'on peut les provoquer dans des matériaux qui n'en présentent pas a priori.

Remarques

• L'existence de biréfringences induites montre que l'activité optique n'est pas une caractéristique intrinsèque du milieu.
• Calcite : biréfringente uniaxe négative ; si le faisceau est parallèle à l'axe optique, elle est isotrope ; perpendiculaire, il y a biréfringence.
• Le scotch est biréfringent car ses molécules de polymère sont alignées selon une direction privilégiée.
• Un milieu est optiquement actif si les polarisations à l'entrée et à la sortie sont différentes. Un système afocal permet d'élargir un faisceau.

Bibliographie

• Duffait, Expériences d'optique
• Sextant, Optique expérimentale