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OPTIQUE CRISTALLINE Principes physiques

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L'optique cristalline englobe, à l'heure actuelle, non seulement l'optique des cristaux, mais aussi celle des corps liquides, solides ou gazeux dont l'arrangement atomique présente une asymétrie.

On qualifie d'«   isotrope » un corps qui a les mêmes propriétés dans toutes les directions. Dans les diélectriques, la permittivité ε est une constante, et l'induction électrique D est toujours parallèle à la direction du champ électrique appliqué E. Dans les corps que nous étudions, les forces de liaison entre les particules chargées dépendent de la direction du champ appliqué. La permittivité électrique n'est plus un scalaire, mais un tenseur (réel ou complexe). Le champ et l'induction électriques sont liés

par la relation fondamentale D = [ε] E.

Nous étudierons plus particulièrement deux propriétés fondamentales : la biréfringence rectiligne et le pouvoir rotatoire (ou biréfringence circulaire).

Dans une direction, à l'intérieur d'un corps doué de biréfringence rectiligne, peuvent se propager, sans déformation, mais avec des vitesses différentes, deux vibrations rectilignes dont les directions, perpendiculaires, sont complètement déterminées par les directions cristallographiques du milieu. Ces corps, dits « biréfringents », ne répondent pas aux lois classiques de la réfraction : un rayon incident donne naissance à deux rayons réfractés.

Les cristaux naturels sont souvent biréfringents, mais on peut faire apparaître des directions privilégiées dans des corps initialement isotropes sous l'action d'une contrainte mécanique (photo-élasticimétrie), d'un champ électrique (électro-optique) ou d'un champ magnétique (magnéto-optique).

Dans une direction, à l'intérieur d'un milieu doué de pouvoir rotatoire, peuvent se propager, sans déformation, mais avec des vitesses différentes, deux vibrations circulaires de sens contraire (d'où le nom de biréfringence circulaire). Lorsque ces vibrations circulaires ont même module, leur résultante est une vibration rectiligne qui tourne, au cours de la propagation, d'un angle proportionnel à l'épaisseur traversée. Cette propriété se rencontre dans de nombreux cristaux et aussi, contrairement à la biréfringence rectiligne naturelle, dans les corps non cristallisés liquides, solutions ou gaz. Le pouvoir rotatoire peut être naturel ou induit.

Biréfringence

Expérience fondamentale

Lois de la réfraction - crédits : Encyclopædia Universalis France

Lois de la réfraction

En 1669, E.  Bartholin mit en évidence le phénomène de double réfraction. Une lame à faces parallèles, taillée dans de la calcite (spath d'Islande), suivant un plan de clivage, et éclairée, sous incidence normale, par un fin pinceau de lumière naturelle, transmet deux rayons : un rayon non réfracté, appelé ordinaire, et un rayon anormalement réfracté, appelé extraordinaire. Alors que la lumière incidente ne présente pas d'axe de symétrie (cf. lumière - Optique), les faisceaux transmis transportent des vibrations rectilignes dont les directions sont perpendiculaires (cf. infra, Polarisation rotatoire).

Tenseur permittivité

On montre que, dans les milieux présentant de la biréfringence, il existe un système d'axes orthonormés Ox, Oy, Oz, appelés axes principaux, tels que le tenseur permittivité [εr]a une forme diagonale (cf. cristaux-Cristallographie). Dans le cas particulier, très fréquent, des milieux uniaxes (que nous traiterons ici), deux permittivités principales sont égales :

Le champ électromagnétique a une symétrie axiale autour de Oz. Cette direction

privilégiée porte le nom d'axe optique A.

Équations de Maxwell

Considérons une onde harmonique plane Ω, de pulsation ω ; le champ électrique E, en un point M du milieu tel que OM = r, est de la forme :

E0→ étant le vecteur polarisation et k le vecteur d'onde, tel que :

N est le vecteur unitaire, normal à l'onde Ω,[...]

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Classification

Pour citer cet article

Madeleine ROUSSEAU. OPTIQUE CRISTALLINE - Principes physiques [en ligne]. In Encyclopædia Universalis. Disponible sur : (consulté le )

Article mis en ligne le et modifié le 14/03/2009

Médias

Lois de la réfraction - crédits : Encyclopædia Universalis France

Lois de la réfraction

Champ émis par une source thermique - crédits : Encyclopædia Universalis France

Champ émis par une source thermique

Champ de l'onde ordinaire - crédits : Encyclopædia Universalis France

Champ de l'onde ordinaire

Autres références

  • BRAGG sir WILLIAM HENRY (1862-1942) & sir WILLIAM LAWRENCE (1890-1971)

    • Écrit par
    • 1 790 mots
    • 1 média

    Le physicien britannique William Henry Bragg et son fils, le physicien australien William Lawrence Bragg, ont été à l’origine de l’étude de la structure cristalline de composés inorganiques et de molécules organiques au moyen de rayons X. Grâce à ces travaux, ils ont obtenu le prix Nobel de physique...

  • DICHROÏSME

    • Écrit par
    • 650 mots
    • 1 média

    Différence d'absorption par un cristal de deux vibrations lumineuses polarisées différemment. Si un cristal est éclairé en lumière blanche polarisée rectilignement, sa coloration (due à l'absorption) varie avec l'orientation du polariseur et du cristal. Un tel cristal est dit pléochroïque...

  • DIFFRACTION, physique

    • Écrit par
    • 731 mots

    Écart, par rapport aux lois de l'optique géométrique (propagation rectiligne, etc.), de la propagation des ondes (acoustiques, optiques, etc.), en présence d'un obstacle ou, plus généralement, modification de la propagation libre des ondes dont la longueur d'onde n'est pas négligeable devant...

  • FRESNEL AUGUSTIN (1788-1827)

    • Écrit par
    • 1 717 mots
    • 1 média
    La découverte de la biréfringence du verre comprimé, l'interprétation cinématique de la polarisation rotatoire, la généralisation de la construction de Huygens, établie dans le cas des cristaux uni-axes (la surface d'onde se compose alors d'une sphère et d'un ellipsoïde de révolution) figurent parmi...
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