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La biréfringence est la propriété qu?ont certains matériaux transparents de diviser en deux un rayon lumineux qui les pénètre. La biréfringence, encore appelée double réfraction, s?explique par l?existence de deux indices de réfraction différents, selon la polarisation du rayon réfracté.

Sommaire 1 La biréfringence des cristaux 2 Autres causes de biréfringence 3 Applications 4 La biréfringence en Minéralogie 5 Articles connexes

[] La biréfringence des cristaux

De très nombreux cristaux sont biréfringents. L?exemple du spath d?Islande encore appelé calcite est célèbre. Ce cristal possède une biréfringence très importante, bien visible à l??il nu : un cristal placé devant un objet en forme deux images bien distinctes. Les deux indices de réfraction sont appelés indice ordinaire et indice extraordinaire.

D?une manière générale, la biréfringence des cristaux est provoquée par leur anisotropie : lorsqu?il reçoit une onde électromagnétique, le cristal ne réagit pas de la même manière selon la direction du champ électrique, toutes les directions n?étant pas équivalentes.

Il existe deux types de cristaux biréfringents : les cristaux uniaxes (systèmes trigonal, tétragonal, hexagonal) et 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 optiques biréfringents, mêmes non cristallins. La biréfringence peut apparaître dans de nombreuses circonstances :

Cristaux liquides : les phases nématiques et smectiques sont biréfringentes

Biréfringence induite par un champ électrique :

• on parle d?effet Pockels ou effet électro-optique du 1er ordre lorsque la biréfringence est proportionnelle au champ électrique appliqué, pour un champ basse fréquence. 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, 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 : perovskite CaTiO3, BaTiO3, etc? (tous appartenant au groupe de symétrie m3m).
• l?effet Kerr s?observe également aux très hautes fréquences. 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 des faisceaux lasers de très forte intensité.

Biréfringence induite par un champ magnétique :

• l?effet Faraday est une biréfringence qui apparaît si on applique un champ magnétique statique ou basse fréquence parallèlement à la direction de propagation du rayon lumineux. La biréfringence créée est alors proportionnelle au champ magnétique. On parle de biréfringence magnétique circulaire : le rayon lumineux doit alors être considéré comme la somme de deux ondes de polarisation circulaire, le champ électrique tournant dans les deux sens. Chaque onde « voit Â» un indice de réfraction différent. En conséquence, une onde polarisée linéairement qui subit l?effet Faraday verra sa direction de polarisation tourner. Cet effet est utilisé dans les isolateurs de Faraday, ou diodes optiques en télécommunications.
• l?effet Cotton-Mouton, appelé parfois « effet Voigt Â». Il s?agit d?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 cas particulier (suspensions colloïdales avec particules métalliques). Il existe un effet Cotton-Mouton dans le vide (biréfringence magnétique du vide).
• pour mémoire, notons qu?il existe aussi les effets Kerr magnéto-optiques. Ceux-ci s?observent 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.

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

Il existe de nombreuses applications de la biréfringence. Citons-en quelques-unes.

Les propriétés de double réfraction de cristaux tels que le quartz ou la calcite sont utilisées en optique pour former des polariseurs (polariseurs de Glan-Thomson et de Glan-Taylor) ou des diviseurs de faisceaux (prismes de Rochon et de Wollaston). On peut utiliser le double indice de réfraction pour fabriquer des lames à retard : lames demi-onde ou quart d?onde (lames de mica ou de quartz).

La biréfringence est largement utilisée en microscopie. Le microscope de Normasky (DIC = differential interference contrast) permet de visualiser des objets de faible contraste : le faisceau d?éclairage est divisé en deux à l?aide d?un prisme séparateur. Les deux faisceaux, de polarisation différente, traversent l?objet en deux points très voisins. Ils sont ensuite recombinés à l?aide d?un filtre polarisant (analyseur). S?ils ont traversé une épaisseur d?objet légèrement différente (zone où l?épaisseur de l?objet varie rapidement en fonction du point d?impact du rayon lumineux), ils possèdent une différence de marche et interfèrent de manière destructive : on a une zone sombre sur l?image finale. Ce microscope permet donc d?observer directement les variations d?épaisseur d?un objet transparent, qui se traduisent par une variation d?intensité lumineuse.

Plus simples, les microscopes polarisants sont largement utilisés en minéralogie. On prépare une lame mince, translucide, du minéral qu?on souhaite examiner. Cette lame est observée en transmission : elle est éclairée par l?arrière à l?aide d?un faisceau qu?on a polarisé linéairement à l?aide d?un premier filtre (polariseur). Les minéraux sont souvent constitués d?un agrégat de très nombreux cristaux (granites, schistes?). Supposons qu?on observe un petit cristal biréfringent (par exemple, une petite inclusion d?olivine). Le faisceau d?éclairage verra simultanément les deux indices de réfraction liés à la biréfringence. Le cas optimal intervient quand sa direction de polarisation se situe environ à 45° de chaque direction propre du cristal : la moitié de la lumière incidente « verra Â» l?indice de réfraction ordinaire, l?autre moitié « verra Â» l?indice extraordinaire. Dans le cas général, l?orientation de la polarisation de la lumière d?éclairage n?aura aucun rapport avec l?orientation du cristal, et les proportion seront différentes de 50%. Après traversée de la lame, les deux composantes de polarisation, qui auront vu chacune un des deux indices de réfraction du cristal, et donc qui auront suivi un trajet optique différent (différence de marche liée à la différence des indices) sont recombinées à l?aide d?un second filtre polarisant (analyseur). Elles vont alors interférer destructivement ou constructivement et créer une variation d?intensité lumineuse. Les minéraux biréfringents étant également dispersifs, le phénomène que nous venons de décrire dépendra fortement de la longueur d?onde. On observa finalement une très vive coloration au niveau de l?inclusion d?olivine. L?olivine est connue pour les couleurs très vives qu?elle produit au microscope polarisant : teintes pouvant aller du bleu au rouge, en passant par le vert et le jaune.

[] La biréfringence en Minéralogie

On parle de biréfringence lorsqu'un matériau (comme un cristal monté sur lame mince et observé au microscope) réfracte un rayon incident selon deux directions différentes. Les rayons sortants possèdent une différence de phase proportionnelle à l'épaisseur traversée, et sont polarisés dans des plans orthogonaux.

• Géol. : les cristaux des systèmes cristallins hexagonal, quadratique (ou tétragonal), rhomboédrique, orthorombique, triclinique et monoclinique sont biréfringeants (les cristaux appartenant au système cubique sont monoréfringents).
  
• L'étude de la biréfringence des cristaux permet, lorsqu'elle est conjugué à l'observation des autres caractères morphologiques que sont les clivages, les craquelures, d'aboutir à leur identification. Par exemple, le granite contient trois minéraux à biréfringence faible : le quartz, le feldspath potassique et les plagioclases.
  

Réfringence dans un basalte

Image:BasalteRefring.jpg

Sources : cours UPSUD, dictionnaire de géologie 5°ed. A. Foucault (Masson)
(Polyniss@upsud)

[] Articles connexes

• Anisotropie
• Cristallographie

 

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La source est wikipedia http://fr.wikipedia.org/wiki/Biréfringence