Qu'est-ce que la biréfringence ?

La biréfringence (également connue sous le nom de double réfraction) est un phénomène optique présent dans certains matériaux. La plupart des matériaux transparents présentent un indice de réfraction unique qui modifie la trajectoire de la lumière lorsqu'elle traverse le matériau. Toutefois, dans les matériaux biréfringents, un rayon lumineux présentera deux indices de réfraction, ce qui entraînera sa division en deux rayons suivant des trajectoires différentes. 

Le phénomène de réfraction double dépend à la fois de la structure du matériau (c'est-à-dire du treillis atomique du matériau) ainsi que de la polarisation et de la direction de propagation du rayon lumineux entrant. La lumière non polarisée pénétrant dans un matériau biréfringent est divisée en deux rayons lumineux différents, appelés rayon ordinaire (o-ray) et rayon extraordinaire (e-ray). Le rayon ordinaire est polarisé de manière perpendiculaire (ou orthogonale) à l'axe optique (la direction dans laquelle la lumière ne subit pas de réfraction double), tandis que le rayon extraordinaire est polarisé dans une direction qui n'est pas strictement perpendiculaire à l'axe optique. Les deux rayons de lumière polarisés se déplacent à des angles et vitesses différents une fois réfractés.

Il existe différents cristaux qui présentent naturellement un comportement anisotrope et biréfringent. Dans l'optique, l'anisotropie fait référence à une propriété de matériau qui varie en fonction de la direction dans laquelle elle est mesurée. Les matériaux présentant ces qualités sont les suivants :

• Carbonate de calcium (calcite)
• Quartz
• Tourmaline
• Rubis
• Dioxyde de titane (rutile)
• Fluorure de magnésium (sellaïte)

En outre, il existe plusieurs matériaux synthétiques avec des structures anisotropes non cristallines qui peuvent également présenter une biréfringence, notamment :

• Matériaux fibreux
• Polymères à chaîne longue
• Résines
• Matériaux composites

Il existe un type spécifique de biréfringence appelé biréfringence de contrainte, qui se produit lorsqu'une force ou une déformation externe est appliquée à un matériau. La biréfringence de contrainte est causée par l'effet photoélastique, également appelé effet piézo-optique, qui survient généralement dans les matériaux tels que les plastiques et les films étirés.

L'introduction de la contrainte entraîne des changements au niveau moléculaire, ce qui cause une distribution non uniforme des atomes et différentes propriétés mécaniques. L'effet entraîne la modification de l'indice de réfraction d'un matériau sous une contrainte ou une charge appliquée.

L'effet photoélastique est similaire à l'effet piézoélectrique à certains égards. L'effet piézoélectrique est un phénomène physique dans lequel les matériaux génèrent une charge électrique lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique, tandis que l'effet photoélastique implique une charge appliquée modifiant la distribution de charge d'un matériau. Cependant, au lieu d'agir sur les propriétés électriques d'un matériau, ce sont ses propriétés optiques qui sont modifiées par la réorganisation atomique.

Comme la biréfringence se produit en raison de l'application d'une charge mécanique, elle permet de visualiser la distribution des contraintes d'un matériau. C'est une méthode utile pour tester les contraintes et déformations appliquées aux composants optiques lorsqu'ils sont intégrés dans des systèmes plus importants, tels que les casques de réalité augmentée et virtuelle (AR/VR).

La biréfringence est utilisée dans de nombreuses applications scientifiques et technologiques.

Instruments scientifiques

La biréfringence est utilisée pour étudier les propriétés des matériaux dans différentes techniques de caractérisation analytique, notamment :

Microscopie à lumière polarisée : Cette technique consiste à diriger la lumière polarisée sur un échantillon, de sorte que les propriétés biréfringentes de l'échantillon modifient la polarisation de la lumière. Le composant de l'analyseur dans un microscope peut alors transmettre de manière sélective uniquement la lumière avec une polarisation modifiée, ce qui augmente le contraste de l'image et fournit des informations sur les propriétés intrinsèques de l'échantillon, telles que les détails structurels et de composition. 

Tomographie par cohérence optique (OCT) : Cette technique utilise la biréfringence de différents matériaux biologiques, tels que les tissus humains, pour ajouter du contraste aux images du microscope.

Écrans LCD

Les écrans LCD utilisent des cristaux liquides biréfringents pour afficher les images et les vidéos. Ces cristaux liquides modifient leur indice de réfraction lorsqu'un champ électrique est appliqué. En contrôlant l'orientation des cristaux liquides, l'écran peut contrôler à la fois la polarisation et l'intensité de la lumière qui le traverse.

Communications optiques

La biréfringence est utilisée dans les câbles à fibre optique pour transmettre des signaux. La biréfringence est utilisée dans les composants à fibre optique appelés commutateurs de sélection de longueur d'onde, qui agissent comme des portes optiques qui sélectionnent et acheminent spécifiquement certaines longueurs d'onde le long de chemins spécifiques dans le câble. Les matériaux biréfringents maintiennent la polarisation de la lumière transmise lorsqu'elle passe le long du câble, ce qui minimise la distorsion et permet d'obtenir des lignes de communication plus fiables.

Filtres polarisants

La biréfringence est également utilisée dans les filtres polarisants pour les caméras, les microscopes et autres instruments optiques. Les filtres polarisants sont composés de matériaux avec une structure anisotropique semblable à une grille. Ils contrôlent le passage de la lumière avec différentes longueurs d'onde en bloquant l'un des deux composants polarisés de la lumière. Cela vous permet de générer des effets visuels uniques, ainsi que des images avec un éblouissement réduit et une plus grande clarté d'image.

Bien qu'il existe de nombreux domaines dans lesquels la biréfringence peut améliorer la fonctionnalité, la biréfringence de contrainte peut aussi réduire les performances d'un composant optique.

Dans certaines applications, les ingénieurs sont passés des lentilles en verre aux lentilles en plastique pour rendre les systèmes optiques plus légers et plus faciles à être produits en masse. Cependant, les polymères tels que l'acrylique et le PMMA sont plus sensibles à la biréfringence de contrainte. Les composants optiques en plastique peuvent déformer et modifier la façon dont la lumière interagit avec le matériau au niveau moléculaire, phénomène qui n'est pas aussi répandu pour les composants en verre. La biréfringence de contrainte doit être prise en compte dans toutes les lentilles en plastique utilisées dans les technologies hautes performances telles que les smartphones, les affichages tête haute (HUD) et les casques AR/VR.

Il existe deux sources principales de biréfringence de contrainte dans les dispositifs optiques : la fabrication et le montage. Lors de la fabrication, des processus comme le moulage par injection peuvent entraîner des contraintes résiduelles à l'intérieur de la lentille lors du refroidissement, car les bords extérieurs refroidissent plus rapidement que l'intérieur.

En outre, lorsqu'une lentille est fixée dans son support ou son boîtier, les contraintes mécaniques introduites par ce processus peuvent modifier la distribution de l'indice de réfraction à l'intérieur de la lentille en plastique. Comme ces contraintes peuvent altérer les propriétés optiques intrinsèques d'un matériau, elles doivent être prises en compte lors de la simulation et de la modélisation pour garantir des performances optimales de la lentille et minimiser les pertes optiques, telles que les réductions de luminosité et d'intensité.

Même une perte de seulement quelques pour cent de la transmission globale de la lumière peut réduire la qualité et la luminosité de l'image en dehors des plages spécifiées s'ils ne sont pas pris en compte. Cet effet est perceptible dans les casques HUD et AR/VR, ce qui entraîne des images à faible contraste qui doivent être corrigées en fournissant plus de puissance au système. Pour les casques, ce n'est pas idéal car il crée une chaleur supplémentaire, ce qui peut être inconfortable pour l'utilisateur et décharger la batterie plus rapidement.

Il y aura toujours un certain degré d'erreur optique causée par la biréfringence, mais les fabricants fournissent rarement des informations sur la façon dont elle affecte les performances optiques de leurs matériaux. À mesure que les ingénieurs développent des composants optiques plus avancés, il devient de plus en plus important de comprendre l'impact de la biréfringence sur les performances de différents matériaux. La simulation et la modélisation informatique peuvent fournir des informations utiles pour la conception en tenant compte des effets multiphysiques tels que la biréfringence de contrainte. Elles sont essentielles pour ouvrir la voie à la prochaine génération de conceptions optiques.

Les systèmes optiques avancés sont de plus en plus coûteux à développer, à prototyper, à tester et à produire. Par conséquent, la réduction du nombre de cycles de test de prototypes physiques est essentielle pour faire progresser le développement de produits tout en respectant le budget. Cela permet d'économiser du temps, des efforts et de l'argent en veillant à ce que les premiers prototypes physiques soient proches des spécifications prévues.

Ansys propose une gamme d'outils, tels que le logiciel de conception et d'analyse de systèmes optiques Ansys Zemax OpticStudio et le logiciel d'analyse structurelle par éléments finis (FEA) Ansys Mechanical, qui permettent de comprendre les différents matériaux et leurs propriétés de biréfringence pour une gamme de dispositifs optiques et d'applications finales. Ces applications sont également compatibles avec les outils externes tels que MATLAB et Moldex3D. 

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