La biréfringence

La biréfringence est une propriété physique de certains matériaux transparents disposant de deux indices de réfraction, un exemple très visuel étant la calcite ou Spath d’Islande.

Source : Wikipédia

Cette propriété est utilisée en géologie afin d’analyser des roches par leurs compositions en différents minéraux. L’analyse est effectuée sur des couches minces de roches de 30 µm d’épaisseur. On envoie de la lumière polarisée à travers le matériau puis cette lumière est analysée à la sortie par un deuxième polariseur. Suivant les couleurs observées, les minéraux constituants sont ainsi reconnus.

Source : Wikipédia

La biréfringence vient du fait que le matériau est anisotrope, c’est-à-dire qui ne présente pas de symétrie dans son organisation structurelle. Il est possible de reconnaître des matériaux biréfringents comme certains plastiques grâce à un montage simple utilisant deux filtres polariseurs. Ici la « boite » est réalisée en carton à partir de quelques découpages et pliages simples. Les filtres peuvent être achetés sur le site 3DLens.com ( https://3dlens.com/linear-polarizer-film.php ).

On peut ainsi placer entre les polariseurs toutes sortes de matériaux afin de voir s’ils sont biréfringents. En effet, les filtres doivent être placés de manière à ce que leurs polarisations soient croisées, la lumière ne doit pas passer. Mais lorsqu’un morceau de ruban adhésif par exemple est placé entre les filtres alors de la lumière d’une certaine couleur peut ressortir du deuxième filtre, la polarisation ayant effectué 90°.

On peut ainsi modéliser les contraintes dans un plastique. Si celui choisi n’est pas biréfringent alors il ne se passera rien, la polarisation de la lumière le traversant n’effectuera pas 90°. Par contre si on commence à le déformer, alors il deviendra biréfringent à certains endroits que nous pourrons mettre en évidence par ce procédé. D’un matériau isotrope, il deviendra anisotrope à certains endroits par déformation de sa structure.

Voici un exemple avec une loupe en verre acrylique où on peut voir les différences d’épaisseur :

Maquette pédagogique

Afin d’expliquer ce phénomène, je vous propose une maquette représentant l’épaisseur du matériau en question.

La flèche dessinée sur une des faces représente le sens de polarisation de la lumière incidente. Quand la lumière change de milieu, elle change de vitesse. Lorsque la lumière pénètre dans le matériau biréfringent elle peut s’y propager suivant deux axes de polarisation, un « rapide » et un « lent ». A savoir que la couleur de la lumière est traduite par sa longueur d’onde. Sur l’axe rapide, elle a le temps d’effectuer une demi-longueur d’onde, alors que sur l’axe lent, elle a le temps d’effectuer une longueur d’onde entière. A la sortie du matériau, les deux polarisations se combinent pour ne donner qu’une lumière dont la polarisation a effectué 90° par rapport à la polarisation incidente. Cette maquette représente une solution pour une longueur d’onde (une couleur) et une épaisseur, mais si vous essayer avec une double épaisseur de ruban adhésif, alors ce sera une couleur différente qui tournera de 90°.

Le matériau utilisé pour la maquette est du plexiglas de 2 mm d’épaisseur. Ci-dessous, les pièces avant collage (à l’acétone ou trichloréthylène par exemple) :

Le plan plan_biréfringence.dxf ci-dessous montre en formes noires remplies les parties gravées.

Pour plus de renseignements, e-mail : christophe_perez@hotmail.fr