Introduction à l'Optique Anisotrope

Résumé : Ce cours est une introduction aux manipulations classiques de la lumière. De la même manière que le contrôle et l'utilisation des courants d'électrons forment l'Électronique, les manipulations de la lumière, vue comme un flot granulaire de photons, constituent le domaine de la Photonique. L'origine première de ce domaine remonte à la découverte, à partir de 1800 environ, que la lumière est un phénomène à la fois ondulatoire et vectoriel. Parmi ses tout premiers développements figurent notamment la compréhension puis l'utilisation de la propagation lumineuse dans les milieux transparents anisotropes. Le formalisme théorique de l'Optique Électromagnétique est inventé par Maxwell dans les années 1860. Ensuite, l'Électro-Optique (interaction de la lumière avec un champ électrostatique) s'est développée sur la fin du XIXème siècle, puis l'Acousto-Optique (interaction de la lumière avec une onde acoustique) dans les années 1930, et enfin l'Optique Non Linéaire (interaction de faisceaux lumineux entre eux) à compter de 1960. Aujourd'hui, la Photonique est largement utilisée parmi les techniques de laboratoire et dans les applications courantes, par exemple en télécommunications optiques. De plus, elle est entrée dans une phase de miniaturisation, dans laquelle sources, détecteurs, guidages et manipulations de la lumière consistent de plus en plus en des dispositifs de tailles micrométriques. Cependant, ce cours ne présentera pas de récents développements fondamentaux ou appliqués, et se limitera au contraire à une première description, se voulant pédagogique, des propriétés de la lumière et des manipulations les plus simples qu'il est possible de faire sur elles. Les fondements de l'Optique Électromagnétique sont rappelés au chapitre I, où est traitée en particulier la propagation de la lumière dans un milieu isotrope. Le chapitre II est consacré à la polarisation de la lumière ; il en présente posément le formalisme, ainsi que deux phénomènes physiques où la polarisation linéaire se manifeste : la diffusion dipolaire et la réflexion-réfraction sur un dioptre. La propagation d'un faisceau lumineux monochromatique dans un milieu anisotrope, est le sujet des deux chapitres suivants. Pour la simplicité, le chapitre III se borne au cas où la direction de propagation de la lumière est suivant une direction particulière du milieu cristallin ; sont alors introduites la notion de polarisations propres et les lames optiques, outils utilisés couramment pour manipuler la polarisation lumineuse. Le chapitre IV aborde la question dans le cas général, quelle que soit la direction de la lumière dans le milieu ; il présente les séparateurs polarisants, dispositifs permettant de séparer spatialement un faisceau lumineux en ses deux composantes orthogonales de polarisation linéaire. Le chapitre V expose différents moyens de tourner continûment, autour de la direction de propagation, la polarisation linéaire d'un faisceau lumineux. Ce phénomène est spontané dans les milieux optiquement actifs. Il est provoqué par l'application d'un champ magnétostatique dans les milieux doués d'effet Faraday, et par l'application d'un champ électrostatique dans certains cristaux liquides. L'effet électro-optique est introduit au chapitre VI. Cet effet est la modification des propriétés optiques d'un milieu provoquée par l'application d'un champ électrostatique. Sur ce principe, on fabrique des lames optiques variables, utiles par exemple pour moduler la puissance d'un faisceau lumineux. L'effet acousto-optique est le sujet du chapitre VII. Un faisceau lumineux dans un milieu peut interagir avec une onde acoustique qui y est présente, via les modifications du milieu qu'elle provoque. Le faisceau se trouve ainsi défléchi, et sa fréquence optique modifiée, de façon contrôlable. Lorsqu'ils sont suffisamment intenses, deux faisceaux lumineux peuvent interagir entre eux dans un milieu (ou un seul faisceau interagir avec lui-même) : on entre dans le cadre des phénomènes optiques non linéaires, abordés au chapitre VIII. Pour la simplicité, n'y est traité essentiellement que le phénomène de génération de second harmonique : sous certaines conditions, un faisceau lumineux de pulsation optique ω donne naissance, dans un milieu, à un faisceau de pulsation double 2ω ; par exemple, un faisceau lumineux rouge peut créer un faisceau bleu. Les deux derniers chapitres portent sur le guidage des ondes lumineuses. D'abord, le chapitre IX se restreint à l'étude de structures guidantes planes, métallique puis diélectrique ; ce chapitre présente la notion de modes propres de propagation guidée, ainsi que leur dispersion imposée par les conditions aux limites. Ensuite, l'ultime chapitre X est une initiation aux fibres optiques, guides diélectriques cylindriques qui sont utilisés très largement dans les télécommunications ; en particulier, y sont déduites les structures des modes de propagation guidée dans une fibre à saut d'indice de réfraction. Comme annoncé, ce cours n'est évidemment pas une présentation exhaustive du domaine de la Photonique (notamment, les sources et les détecteurs ne sont même pas effleurés) ; de toute façon, des traités complets, spécialisés, sur ce domaine existent déjà, qui n'abordent parfois qu'un seul des thèmes présentés dans le plan ci-dessus. Le but recherché du présent cours est de donner un premier aperçu de quelques points clés concernant les manipulations de la lumière, tout en veillant à une présentation à la fois élémentaire et rigoureuse des phénomènes : plutôt que d'aborder beaucoup de sujets de façon superficielle, le choix a été d'en traiter peu mais en détail, tout en tâchant que le formalisme n'obscurcisse pas les phénomènes physiques étudiés.
Type de document :
Cours
Master / M1. 2005
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Contributeur : Frederick Bernardot <>
Soumis le : mardi 14 octobre 2008 - 19:37:40
Dernière modification le : mercredi 21 mars 2018 - 18:57:41
Document(s) archivé(s) le : lundi 7 juin 2010 - 17:58:05

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  • HAL Id : sfo-00330582, version 1

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Frédéric Bernardot. Introduction à l'Optique Anisotrope. Master / M1. 2005. 〈sfo-00330582〉

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