FR3079038A1 - Dispositif a retard optique de phase geometrique ajustable et procede de generation d'un retard optique de phase geometrique ajustable - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif (103) à retard optique de phase géométrique ajustable comprenant un film de cristal liquide (4) nématique, un aimant permanent (5) comprenant une ouverture (6) traversante, l'aimant (5) étant adapté pour générer un champ magnétique autour d'un axe magnétique (13) passant par l'ouverture (6) traversante, le champ magnétique ayant une composante transverse à l'axe magnétique (13) adaptée pour générer dans le film de cristal liquide (4) une structuration de charge topologique +1 et l'ouverture (6) traversante étant adaptée pour transmettre un faisceau lumineux traversant le film de cristal liquide (4), des électrodes (2, 12) adaptées pour appliquer un champ électrique au film de cristal liquide (4), le champ électrique étant orienté transversalement aux lames (1) et dans lequel le champ électrique et le champ magnétique sont adaptés pour générer dans le film de cristal liquide (4) un retard optique de phase géométrique en spirale autour de l'axe magnétique (13).
Description
Domaine technique auquel se rapporte l'invention
La présente invention concerne de manière générale le domaine des composants optiques pour moduler les propriétés de la lumière.
Elle concerne plus particulièrement le domaine des dispositifs et procédés de génération d’un retard de phase géométrique basés sur la structuration spatiale de milieux biréfringents. Elle concerne en particulier l’utilisation d’un tel dispositif pour générer un vortex optique ou une superposition de vortex optiques.
Arriere-plan technologique
Une propriété générale en physique ondulatoire est l’existence de singularités de phase. Ces singularités de phase correspondent à des endroits de l’espace où le champ ondulatoire est indéfini. En optique, on définit par vortex optique un point autour duquel la phase du champ électromagnétique d’une onde lumineuse s’enroule de sorte à parcourir un nombre entier λ (positif ou négatif) de fois 2π par tour dans un plan donné. De manière générale, cela est associé à un champ électromagnétique variable spatialement, le champ électromagnétique ayant une amplitude complexe proportionnelle à βχρ(ίλφ) où φ est l’angle polaire autour du point de singularité dans le plan en question et λ est appelé la charge topologique de la singularité de phase. Par abus de langage, on désigne usuellement par faisceau vortex ou même vortex optique un faisceau lumineux portant une ou plusieurs singularités de phase. Les vortex optiques s’apparentent à des tourbillons de lumière dont les fronts d’onde sont en forme d’hélice dont l’enroulement droit ou gauche est associé au signe de la charge topologique λ.
Depuis plus d’une vingtaine d’années, sont apparus de nouveaux composants optiques plans pour modifier la phase d’un champ lumineux à l’aide de milieux uniaxes dont la distribution spatiale de l’orientation de l’axe optique dans le plan du composant défini par l’angle d’azimut ψ est inhomogène et le retard de phase Δ associé à la biréfringence est uniforme. Ces composants sont aussi appelés masques de phase ou masques de phase géométrique. En effet, ces composants sont basés sur le concept de la phase géométrique dite de Pancharatnam-Berry et ont la particularité de produire une distribution de phase qui dépend de l’état de polarisation de la lumière incidente sur le composant. En particulier, quand Δ est égal à π (modulo 2π) pour la longueur d’onde utilisée, et dans la mesure où on peut négliger l’effet de la propagation dans le composant lui-même, le composant agit comme un masque de phase imprimant à un champ incident polarisé circulairement un terme de phase de la forme βχρ(±2ίψ), où le signe ± dépend de la nature droite ou gauche de l’état de polarisation circulaire incident. Ces composants optiques s’utilisent comme des lames à retard usuelles en combinaison avec un faisceau lumineux incident émis par un laser ou une source de lumière incohérente. Dans le cas particulier où ψ est de la forme ψ=(λ/2)φ, de tels composants optiques permettent d’imprimer à un faisceau lumineux polarisé circulairement une singularité de phase de charge topologique ±λ.
Des composants optiques à phase géométrique peuvent être fabriqués de différentes manières. Une technologie repose sur l’utilisation de réseaux de diffraction sous-longueur d’onde formés par nano-texturation permanente d’un matériau transparent isotrope tel qu’un verre. Une autre technologie est basée sur l’utilisation de cristaux liquides ou de polymères cristaux liquides dont la structuration de l’axe optique, donnée par l’orientation moléculaire du matériau cristal liquide, peut être obtenue de diverses manières, par des procédés de structuration des surfaces de part et d’autre de la couche de cristal liquide, ou bien de structuration directement en volume. Ces technologies sont aujourd’hui largement utilisées pour produire des composants optiques à phase géométrique associés à des distributions de phase quelconques.
De tels composants optiques à phase géométrique, lorsqu’ils sont utilisés pour générer des vortex optiques, trouvent des applications dans de nombreux domaines tels que la manipulation sans contact de la matière, l’imagerie, l’information et les communications optiques, que ce soit en régime classique ou quantique pour la lumière.
Cependant, les composants optiques à phase géométrique disponibles aujourd’hui pour générer des vortex optiques présentent des inconvénients. Ils présentent en effet une zone centrale autour du point de singularité dans laquelle l’orientation de la biréfringence n’est pas uniforme. Cette zone centrale s’étend généralement sur des distances allant de quelques microns à plusieurs dizaines de microns, ce qui ne permet pas de moduler un faisceau de faible dimension transverse, par exemple un faisceau focalisé. D’autre part, le retard optique dépend de la longueur d’onde du faisceau incident, et il n’est généralement pas accordable en fonction de la longueur d’onde. Les dispositifs actuels ayant les plus petites zones centrales d’imperfection ne sont pas accordables. Les dispositifs accordables en longueur d’onde sont quant à eux associés à des grandes zones centrales d’imperfection. Aussi, certaines technologies sont associées à des pertes diffusives non-négligeables dans le domaine du visible et d’autant plus élevées que la longueur d’onde diminue.
Le document « Génération of umbilics by magnets and flows », P. Pieranski, B. Yang, L. -J. Burtz, A. Camu, F. Simonetti, Liquid Crystals, vol. 40, no. 12, pages 1593-1608, 2013, décrit un arrangement permettant de générer une certaine classe de défauts topologiques dans des films de cristaux liquides, basé sur l’utilisation d’aimants qui permettent d’orienter les molécules de cristal liquide. Toutefois, la structuration obtenue n’est pas stable dans le temps.
Il est souhaitable de proposer un dispositif à retard optique de phase géométrique de type vortex, associé à une structuration du type ψ=(λ/2)φ, qui soit à la fois accordable en longueur d’onde sur une large gamme spectrale, par exemple dans le visible et/ou l’infrarouge, stable dans le temps, et qui présente un retard de phase Δ uniforme sur une surface utile ayant un diamètre pouvant aller d’environ quelques microns à un centimètre, afin de transformer en vortex optique un faisceau lumineux de diamètre correspondant.
Il est souhaitable de proposer un dispositif à retard optique de phase géométrique de type vortex peu coûteux à fabriquer.
Il est souhaitable de proposer un procédé de génération de vortex optique qui soit aisé à mettre en œuvre, ajustable aisément et à moindre coût en fonction de la longueur d’onde sur une large gamme spectrale et qui soit stable dans le temps.
Objet de l’invention
Afin de remédier à l’inconvénient précité de l’état de la technique, la présente invention propose un procédé de génération d’un retard optique de phase géométrique ajustable, comprenant les étapes suivantes:
- positionner un film de cristal liquide entre deux lames transparentes, planes et parallèles portant chacune une électrode transparente disposées face à face, le film de cristal liquide étant nématique d’anisotropie diélectrique négative à une fréquence électrique f,
- positionner un aimant permanent à une distance d du film de cristal liquide, l’aimant comprenant une ouverture traversante et l’aimant étant adapté pour générer un champ magnétique autour d’un axe magnétique passant par l’ouverture, l’axe magnétique étant transverse aux deux lames, le champ magnétique ayant une composante transverse à l’axe magnétique adaptée pour générer dans le film de cristal liquide une structuration de charge topologique +1,
- appliquer un champ électrique alternatif à la fréquence électrique f entre les électrodes de sorte à générer dans le film de cristal liquide un retard optique de phase géométrique en spirale autour de l’axe magnétique, le retard optique de phase géométrique étant apte à transformer un faisceau lumineux polarisé circulairement à une longueur d’onde déterminée se propageant suivant un axe optique aligné avec l’axe magnétique à travers l’ouverture et le film de cristal liquide en un vortex optique de charge topologique +2 ou -2.
L’invention propose également un dispositif à retard optique de phase géométrique ajustable comprenant un film de cristal liquide positionné entre deux lames transparentes, planes et parallèles portant chacune une électrode transparente disposées face à face, le film de cristal liquide étant nématique d’anisotropie diélectrique négative à une fréquence électrique f, un aimant permanent comprenant une ouverture traversante, l’aimant étant adapté pour générer un champ magnétique autour d’un axe magnétique passant par l’ouverture traversante, l’aimant étant positionné à une distance d du film de cristal liquide et l’axe magnétique étant transverse aux deux lames, le champ magnétique ayant une composante transverse à l’axe magnétique adaptée pour générer dans le film de cristal liquide une structuration de charge topologique +1, l’ouverture traversante étant adaptée pour transmettre un faisceau lumineux traversant le film de cristal liquide, chaque lame comportant une couche d’ancrage adaptée pour orienter localement les molécules du film de cristal liquide perpendiculairement aux lames en l’absence de champ électrique ou magnétique, les électrodes étant adaptées pour appliquer un champ électrique alternatif à la fréquence électrique f au film de cristal liquide, le champ électrique étant orienté transversalement aux lames, et le champ électrique et le champ magnétique étant adaptés pour générer dans le film de cristal liquide un retard optique de phase géométrique en spirale autour de l’axe magnétique, le retard optique de phase géométrique étant apte à transformer un faisceau lumineux polarisé circulairement à une longueur d’onde déterminée se propageant suivant un axe optique aligné avec l’axe magnétique à travers l’ouverture et le film de cristal liquide en un vortex optique de charge topologique +2 ou -2.
D’autres caractéristiques non limitatives et avantageuses du dispositif conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
- le dispositif comprend un générateur de tension relié aux bornes des électrodes et adapté pour générer un champ électrique de tension alternative à une fréquence électrique comprise entre 1 kHz et 100 kHz ;
- le générateur de tension alternative est adapté pour générer une tension d’amplitude variable de manière à accorder en amplitude le retard optique de phase en fonction de la longueur d’onde du faisceau lumineux ;
- le générateur de tension alternative est adapté pour générer une tension d’amplitude variable de manière à accorder en amplitude le retard optique de phase à une demi-longueur d’onde (modulo une longueur d’onde) sur une surface annulaire autour de l’axe magnétique ;
- le film de cristal liquide a une épaisseur L comprise entre 1 pm et 100 pm ;
- l’aimant a une force magnétique correspondant à une force d’adhésion adaptée pour soulever une charge comprise entre 0,1 kg et 10 kg ;
- l’ouverture traversante de l’aimant est de forme cylindrique ou conique ou pyramidale, l’ouverture étant de section carrée ou circulaire ou polygonale ;
- l’ouverture traversante de l’aimant a une dimension dans un plan transverse à l’axe magnétique comprise entre un millimètre et quelques centimètres ;
- le cristal liquide nématique est choisi parmi un groupe de matériaux ayant une anisotropie diélectrique négative dans une gamme de fréquence comprise entre 1 kHz et 100 kHz ;
- le cristal liquide nématique est un cristal liquide nématique double fréquence dont l’anisotropie diélectrique change de signe à une fréquence électrique de coupure fc ;
- le dispositif comprend un polariseur et/ou un analyseur de polarisation, le polariseur étant disposé en amont du film de cristal liquide et/ou l’analyseur de polarisation étant disposé en aval du film de cristal liquide.
L’invention concerne aussi un système comprenant un dispositif selon l’un des modes de réalisation décrits et comprenant en outre une source lumineuse et un photo-détecteur, la source lumineuse étant adaptée pour générer un faisceau lumineux incident se propageant suivant un axe optique aligné sur l’axe magnétique de l’aimant à travers l’ouverture et le film de cristal liquide pour former un faisceau transmis en aval du film de cristal liquide et le photo-détecteur étant disposé pour recevoir le faisceau transmis et générer un signal détecté.
Description detaillee d’un exemple de réalisation
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l’invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
- la figure 1 est une représentation schématique en coupe d’un dispositif selon un mode de réalisation,
- la figure 2 est une représentation schématique d’un aimant permanent comprenant une ouverture traversante aux contours fermés suivant une vue en coupe et une vue de face,
- la figure 3 est une représentation schématique d’un aimant permanent comprenant une ouverture traversante aux contours fermés,
- la figure 4 est un schéma des lignes de champ magnétique générées par un aimant permanent comprenant une ouverture traversante aux contours fermés,
- la figure 5A est un schéma en vue de coupe des lignes du champ du directeur dans un film de cristal liquide nématique, l’orientation locale moyenne des molécules de cristal liquide étant parallèle à la tangente à ces lignes, au repos en absence de tout champ extérieur électrique ou magnétique ;
- la figure 5B est un schéma qualitatif en vue de coupe des lignes tangentes à l’orientation locale moyenne des molécules de cristal liquide nématique d’anisotropie diélectrique négative en présence d’un champ magnétique ayant une composante de structure radiale dans le plan perpendiculaire à l’axe z (tel que celui associé au voisinage de l’axe de l’aimant représenté sur la figure 3) combiné à un champ électrique dirigé selon l’axe de l’aimant pré-cité,
- la figure 6 est une image d’un exemple de cellule à cristaux liquides structurée par un champ magnétique combiné à un champ électrique tels que décrits en lien avec la figure 5 et observée en lumière blanche entre polariseurs linéaires croisés, illustrant la génération contrôlée d’un défaut de cristal liquide associé à une structuration de la biréfringence de charge topologique +1,
- la figure 7 représente un exemple de dépendance spectrale de la tension appliquée aux bornes des électrodes d’un film de cristal liquide en fonction de la longueur d’onde pour obtenir un retard de phase demi-onde, où l’entier n correspond à Δ=ηπ pour la longueur d’onde associée,
- la figure 8 est un schéma représentant un système intégrant un générateur de vortex optique selon un mode de réalisation,
-la figure 9 est un exemple d’application au filtrage spatial d’un système intégrant un générateur de vortex optique selon un autre mode de réalisation.
On définit pour l’ensemble des figures un repère orthonormé (x, y, z) et un repère en coordonnées sphériques avec un angle polaire Θ d’inclinaison par rapport à l’axe z et un angle d’azimut φ par rapport à l’axe x dans un plan perpendiculaire à l’axe z.
Dispositif
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une vue en coupe d’un dispositif 103 selon un mode de réalisation. Le dispositif 103 comporte une cellule 14 à cristaux liquides et un aimant 5.
La cellule 14 à cristaux liquides comprend deux lames 1, des électrodes et 12, une couche d’ancrage 3 sur chaque lame et un film de cristal liquide 4. Les deux lames 1 transparentes, planes et parallèles sont positionnées transversalement à l’axe z. Les lames 1 peuvent être par exemple des lames de verre. Chaque lame 1 porte au moins une électrode 2 ou 12 transparente disposées face à face. Le film de cristal liquide 4 nématique d’anisotropie diélectrique négative à une fréquence électrique f est positionné entre les deux lames 1. Les lames 1 comportent en surface une couche d’ancrage 3 adaptée pour orienter les molécules du cristal liquide en contact avec la couche d’ancrage perpendiculairement aux lames 1 et ainsi pour orienter l’axe optique du film de cristal liquide 4 nématique perpendiculairement aux lames 1 sur toute la surface des lames en l’absence de perturbations par un champ extérieur électrique ou magnétique. La couche d’ancrage 3 des lames 1 est choisie parmi une gamme de traitement de surface donnant un ancrage perpendiculaire, par exemple le matériau SE-1211 de Nissan Chemical Industries, Ltd. L’épaisseur du film de cristal liquide 4 est comprise entre 1 pm et 100 pm. On choisit un cristal liquide nématique dont l’anisotropie diélectrique est négative pour une fréquence électrique f appliquée. Le cristal liquide nématique est choisi parmi de nombreux cristaux liquides disponibles, par exemple MLC-6608 de Merck. Par exemple, le film d’épaisseur L de 10 microns du cristal liquide nématique MLC-6608 qui possède une biréfringence δη égale à 0,083 pour une longueur d’onde de 589,3 nm et une anisotropie diélectrique négative de - 4,2 pour une fréquence électrique f de 1 kHz à 20°C.
Un générateur de tension est relié aux bornes des électrodes 2 et 12 et est adapté pour générer un champ électrique de tension alternative à une fréquence électrique f typiquement comprise entre 1 kHz et 100 kHz. Les électrodes 2 et 12 sont adaptées pour appliquer un champ électrique alternatif à une fréquence électrique f pour laquelle l’anisotropie diélectrique du cristal liquide est négative.
Selon une variante, on utilise un cristal liquide nématique double fréquence dont l’anisotropie diélectrique change de signe à une fréquence de coupure fc typiquement pour une gamme de fréquence de coupure fc comprise entre 10 kHz et quelques dizaines de kHz. Ainsi le dispositif peut être rapidement réinitialisé en appliquant une tension de quelques volts associée à une fréquence pour laquelle l’anisotropie diélectrique du cristal liquide nématique double fréquence est positive. Les molécules du cristal liquide nématique double fréquence sont alors contraintes de s’aligner suivant la direction du champ électrique appliqué, i.e. selon l’axe z.
L’aimant 5 dont l’axe magnétique 13 est parallèle à l’axe z est positionné à une distance d du film de cristal liquide 4. L’aimant 5 est un aimant permanent. La particularité de l’aimant 5 est qu’il présente une ouverture traversante 6 sur toute sa hauteur H suivant l’axe z et aux contours fermés dans un plan transverse à l’axe z. Les dimensions de l’ouverture traversante 6 sont adaptées pour transmettre un faisceau lumineux traversant le film de cristal liquide 4. L’aimant 5 est adapté pour générer un champ magnétique, ayant une composante du champ magnétique dans un plan (x, y) perpendiculaire à l’axe z de structure radiale dans le dans un plan (x, y) de manière à induire un précurseur de défaut topologique de cristal liquide de charge topologique +1 autour de l’axe magnétique 13 passant par l’ouverture traversante 6. La dimension transverse de l’ouverture traversante 6 est généralement comprise en 1 mm et 10 mm.
L’ouverture 6 traversant l’aimant 5 peut être de forme cylindrique ou conique ou pyramidale, l’ouverture étant de section carrée ou circulaire ou polygonale. De façon avantageuse, l’aimant 5 est de forme cylindrique à section circulaire et l’ouverture 6 est aussi de forme cylindrique à section circulaire, les deux cylindres étant coaxiaux.
La figure 2 illustre schématiquement une géométrie de l’aimant 5 suivant l’axe magnétique 13 et suivant le plan de coupe AA perpendiculaire à l’axe magnétique 13. L’aimant 5 possède une hauteur H comprise entre 1 mm et 10 mm. L’ouverture 6 aux contours fermés traversant l’aimant 5 possède un rayon interne Rin compris entre 1 mm et 10 mm et un rayon externe Rout compris entre 2 mm et 20 mm.
On définit l’angle polaire θ illustré sur la figure 1 ou 2 comme l’angle polaire formé par le directeur des molécules du film de cristal liquide et l’axe 13 magnétique de l’aimant 5. On définit φ comme l’angle d’azimut formé dans le plan de coupe AA perpendiculaire à l’axe magnétique 13 et ayant pour origine le centre O de l’ouverture 6 traversante. Le centre O est situé sur l’axe magnétique 13.
La figure 3 représente schématiquement en perspective un exemple d’aimant annulaire utilisé pour générer le champ magnétique ayant une composante dans le plan perpendiculaire (x, y) à l’axe z ayant une structure radiale dans ce plan (x, y). L’aimant annulaire présente un pôle nord 7 et un pôle sud 8 orienté suivant l’axe z ainsi qu’une ouverture 6 traversant l’aimant suivant l’axe z. L’orientation de l’axe magnétique 13 est nord/sud ou sud/nord selon l’axe z. L’aimant 5 possède des dimensions comprises entre 1 mm x 2 mm x 2 mm et 10 mm x 20 mm x 20 mm, et présente une force d’adhésion comprise entre 0.1 kg et 10 kg. Dans un premier exemple, l’aimant annulaire a une hauteur H égale à 6 mm, un rayon externe Rout égal à 6 mm, et l’ouverture cylindrique de section circulaire un rayon interne Rin égal à 2 mm. Cet aimant a une force équivalente pour soutenir une charge allant jusqu’à 3,2 kg. Dans un deuxième exemple, l’aimant annulaire a un rayon externe Rout égal à 7,5 mm, un rayon interne Rin égal à 4 mm et une hauteur H égale à 6 mm. Cet aimant peut soutenir une charge allant jusqu’à 5 kg.
La figure 4 représente schématiquement une vue en coupe des lignes de champ magnétique produites par un aimant annulaire comprenant une ouverture cylindrique de section circulaire autour d’un axe magnétique 13. Les repères 41 et 42 en forme d’étoile correspondent aux points d’inversion du champ magnétique sur l’axe z qui sont situés à une distance dinv de l’aimant 5 comme indiqué sur la figure 4. De façon avantageuse, l’aimant 5 est placé à une distance d du film de cristal liquide, de manière à ce que la phase soit uniforme sur une surface étendue autour de l’axe magnétique 13. L’homme du métier est apte à déterminer cette zone de distance pour d expérimentalement par une méthode d’essais, en fonction de la cellule à cristaux liquides 14 et de l’aimant 5 utilisés. A titre d’exemple, sur la figure 6, cette distance d est égale à 2 mm.
La figure 5A représente les lignes 51 du champ du directeur orientées suivant l’axe z dans la cellule à cristaux liquides au repos, c'est-à-dire en absence de champ magnétique et de champ électrique appliqués. Le directeur correspond à un vecteur unitaire n parallèle à l’orientation locale moyenne des molécules du film de cristal liquide, n et -n étant équivalents. Sur la figure 5A, le directeur est parallèle à l’axe z en tout point du film de cristal liquide 4. En absence de perturbation électrique et/ou magnétique, les lignes du champ du directeur sont perpendiculaires au plan de la cellule de cristal liquide 14.
Sur la figure 5B, le champ électrique E et le champ magnétique sont appliqués en partant d’une situation initiale où le cristal liquide 14 est soumis à la seule action du champ magnétique de l’aimant. Le champ électrique est adapté pour modifier l’orientation des molécules dans le film de cristal liquide 4 nématique entre les couches d’ancrage 3. Plus précisément, la combinaison du champ magnétique et du champ électrique induit une distorsion des lignes du champ du directeur suivant un angle polaire Θ et suivant un angle d’azimut φ axisymétrique par rapport à l’axe magnétique 13. L’angle d’azimut φ est associé à une charge topologique +1 pour la structure du cristal liquide, autrement dit, il parcourt 2π le long d’un circuit fermé autour de l’axe z dans le plan (x,y). Le champ du directeur obtenu peut être considéré comme étant invariant par rotation autour de l’axe z. Pour une différence de potentiel alternative U appliquée entre les électrodes 2 et 12, l’angle polaire Θ au centre du film de cristal liquide converge vers une valeur uniforme, entre 0 et 90 degrés, sur une zone annulaire 53 en dehors de la zone centrale 52 autour du centre O. La valeur de l’angle polaire Θ dépend de la tension appliquée et du cristal liquide 4. Plus précisément, en augmentant la tension appliquée aux bornes des électrodes, on amplifie la valeur de l’angle polaire Θ. La zone 53 de réorientation polaire uniforme du cristal liquide est associée à un retard de phase Δ uniforme qui est ajustable en modifiant la tension appliquée entre les électrodes 2 et 12.
Dans le cas particulier où le retard de phase satisfait à la relation Δ=ηπ, avec n impair, pour la longueur d’onde utilisée, la distorsion des lignes du champ du directeur en présence des champs magnétique et électrique produit un composant optique à retard de phase géométrique de type vortex permettant de générer des vortex optiques de charge topologique λ=±2 à partir d’un champ lumineux polarisé circulairement et associé à λ=0 passant à travers l’ouverture traversante 6 et le film de cristal liquide 4 nématique, que la lumière se propage selon +z ou -z. Plus généralement, le champ lumineux polarisé circulairement acquiert à la sortie du cristal liquide 4 un terme de phase βχρ(±2ίφ).
La capacité d’auto-assemblage du film de cristal liquide permet de générer des vortex optiques accordables en longueur d’onde par ajustement de la tension appliquée, sur une zone d’intérêt de l’ordre du cm2 tout en préservant un ordre topologique de haute qualité, sans avoir recours à une quelconque technologie de structuration point-à-point en surface ou en volume. Typiquement, le composant acquiert sa configuration stable typiquement après 1 min pour une épaisseur L de film de cristal liquide 4 nématique de 10 pm, et la configuration demeure stable aussi longtemps que les champs appliqués restent inchangés. La gamme de longueur d’onde permettant de générer des vortex optiques est typiquement comprise en pratique entre 400 nm et quelques microns, la longueur d’onde maximale étant de l’ordre de 2 δη L.
Un exemple de structure obtenue et observée en lumière blanche entre polariseurs linéaires croisés est illustré figure 6. On note une zone centrale 52 qui présente une torsion, qui n’affecte pas le processus de génération de vortex optique. A titre de comparaison, le diamètre de la zone 52 correspondant à un retard de phase non-uniforme, varie typiquement de L à L/10 au fur et à mesure que la tension appliquée augmente.
La figure 7 illustre comment le dispositif de la présente divulgation est ajustable en longueur d’onde via un ajustement de la tension appliquée. Les courbes de la figure 7 représentent la dépendance spectrale des valeurs de tension Un normalisée par rapport à la tension seuil Uth, qui correspond à la tension au-dessus de laquelle le cristal liquide est réorienté en l’absence d’application de tout champ magnétique extérieur, sur une gamme de longueur d’onde comprise entre 400 nm et 800 nm pour différentes valeurs de l’entier n impair. Les mesures ont été réalisées en illuminant le film de cristal liquide à incidence normale avec un faisceau laser supercontinuum collimaté de 2 mm de diamètre. Les valeurs reportées dans la figure 7 correspondent aux situations où on mesure un minimum de transmission entre polariseurs circulaires parallèles par exemple avec un film de cristal liquide MLC-6608 d’épaisseur environ 20 microns et un aimant en anneau comme décrit pus haut.
L’utilisateur peut facilement ajuster la tension en fonction de la longueur d’onde sur une gamme de longueur d’onde du faisceau lumineux incident comprise entre 400 nm et 1500 nm.
La figure 8 illustre un banc optique dans lequel le dispositif 103 est opérationnel. Une source lumineuse 90 projette un faisceau lumineux incident 91 qui se propage à travers un polariseur linéaire 92. Le faisceau polarisé 93 obtenu en sortie du polariseur linéaire 92 se propage suivant un axe confondu avec l’axe z et traverse une lame à retard quart d’onde 54 à la longueur d’onde d’utilisation. En ajustant l’orientation de la lame à retard quart d’onde 54 dans le plan (x,y) on peut ajuster l’état de polarisation du faisceau lumineux 55 transmis. Le faisceau polarisé 55 passe dans l’ouverture de l’aimant 5 puis traverse la cellule de cristal liquide 14. Le générateur de tension 94 placé aux bornes des électrodes de la cellule de cristal liquide 14 permet de varier la tension électrique appliquée. Le faisceau lumineux en sortie de la cellule 14 à cristal liquide génère un vortex optique 95 de charge topologique ±2 si l’état de polarisation du faisceau lumineux 55 est circulaire. Dans le cas général où le faisceau lumineux 55est polarisé elliptiquement, le faisceau 95 est une superposition de vortex optiques de polarisation respective droite et gauche, portant des charges topologiques respectives ±2 et dont le rapport des puissances peut être ajusté continûment à l’aide de l’orientation de la lame à retard quart d’onde 54. Un système optique 98 forme l’image du faisceau transmis 97. Un photo-détecteur 99 relié à un système de traitement du signal 100 reçoit le faisceau transmis 97 pour permettre d’observer le faisceau généré par le dispositif de la présente divulgation.
La figure 9 illustre un exemple d’application d’un dispositif 103 destinée aux techniques d’imagerie optique basé sur le filtrage de Fourier via un masque de phase géométrique selon la présente divulgation, par exemple pour la coronographie à vortex optique en astronomie ou la microscopie à contraste de phase. Un faisceau lumineux incident 91 illumine un objet de phase et/ou d’amplitude 101 puis traverse une première lentille 102 disposée à la distance focale F de l’objet 101. La cellule de cristal liquide 14 du dispositif 103 est positionnée à une distance F de la lentille 102, l’axe z de l’aimant étant aligné avec l’axe optique le la lentille 102. La cellule de cristal liquide 14 est ainsi disposée dans le plan de Fourier de l’objet 101. En sortie de la cellule de cristal liquide 14, le faisceau lumineux se propage au travers d’une deuxième lentille 104 de longueur focale F, positionnée à une distance 2F de la première lentille 102. Le champ lumineux 105 en sortie de la lentille 104 reforme l’image 106 de l’objet 101, dont la fréquence spatiale nulle a subi une modification par un facteur de phase associé à un vortex de charge topologique ±2. A titre d’exemple nullement limitatif, un objectif 107 et une caméra 108 recueillent l’image formée.
Le dispositif 103 de la présente divulgation permet de modifier l’orientation de l’axe de biréfringence des molécules de cristal liquide de manière azimutale autour d’un point central. Ce dispositif 103 fonctionne uniquement par application d’un champ électrique alternatif combiné à un champ magnétique statique. A la différence des dispositifs antérieurs de type réseau de diffraction ou lame structurée par faisceau laser, le dispositif 103 ne nécessite pas de structurer un matériau en surface ou en volume pour obtenir la structuration de l’axe optique de manière à obtenir un masque de phase vectoriel axisymétrique de type vortex et basé sur l’utilisation de la phase géométrique de la lumière. Le dispositif 103 présente l’avantage d’être ajustable en fonction de la tension appliquée et/ou en fonction de la longueur d’onde du faisceau lumineux.
Le dispositif 103 peut être utilisé pour des applications en microscopie en contraste de phase spiralé ou la manipulation de l’information optique à base de moment angulaire orbital.
Le dispositif selon la présente divulgation a l’avantage d’être accordable en longueur d’onde par simple modification de la tension appliquée aux bornes des électrodes.
Le dispositif selon la présente divulgation permet avantageusement une fabrication rapide et facile pour structurer le cristal liquide.
Le générateur de vortex optique permet de doter la phase d’un champ lumineux incident sur le dispositif d’un terme de phase en spirale autour d’une 5 singularité de phase associée à l’emplacement du défaut topologique du cristal liquide. La structuration de l’axe optique du cristal liquide réorienté, avec une charge topologique +1 autour du défaut topologique, est définie sans ambiguïté au-delà d’une distance d’autant plus petite que le champ électrique appliqué est grand, cette distance à l’axe pouvant être plus petite que 100 nm.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Procédé de génération d’un retard optique de phase géométrique ajustable, comprenant les étapes suivantes:- positionner un film de cristal liquide (4) entre deux lames transparentes (1), planes et parallèles portant chacune une électrode (2, 12) transparente disposées face à face, le film de cristal liquide (4) étant nématique d’anisotropie diélectrique négative à une fréquence électrique f,- positionner un aimant permanent (5) à une distance d du film de cristal liquide (4), l’aimant (5) comprenant une ouverture (6) traversante et l’aimant (5) étant adapté pour générer un champ magnétique autour d’un axe magnétique (13) passant par l’ouverture (6), l’axe magnétique (13) étant transverse aux deux lames (1), le champ magnétique ayant une composante transverse à l’axe magnétique (13) adaptée pour générer dans le film de cristal liquide (4) une structuration de charge topologique +1,- appliquer un champ électrique alternatif à la fréquence électrique f entre les électrodes (2, 12) de sorte à générer dans le film de cristal liquide (4) un retard optique de phase géométrique en spirale autour de l’axe magnétique (13), le retard optique de phase géométrique étant apte à transformer un faisceau lumineux polarisé circulairement à une longueur d’onde déterminée se propageant suivant un axe optique aligné avec l’axe magnétique (13) à travers l’ouverture (6) et le film de cristal liquide (4) en un vortex optique de charge topologique +2 ou -2.
- 2. Dispositif (103) à retard optique de phase géométrique ajustable comprenant :- un film de cristal liquide (4) positionné entre deux lames transparentes (1), planes et parallèles portant chacune une électrode (2, 12) transparente disposées face à face, le film de cristal liquide (4) étant nématique d’anisotropie diélectrique négative à une fréquence électrique f,- un aimant permanent (5) comprenant une ouverture (6) traversante, l’aimant (5) étant adapté pour générer un champ magnétique autour d’un axe magnétique (13) passant par l’ouverture (6) traversante, l’aimant (5) étant positionné à une distance d du film de cristal liquide (4) et l’axe magnétique (13) étant transverse aux deux lames (1), le champ magnétique ayant une composante transverse à l’axe magnétique (13) adaptée pour générer dans le film de cristal liquide (4) une structuration de charge topologique +1, l’ouverture (6) traversante étant adaptée pour transmettre un faisceau lumineux traversant le film de cristal liquide (4),- chaque lame (1) comportant une couche d’ancrage (3) adaptée pour orienter localement les molécules du film de cristal liquide (4) perpendiculairement aux lames (1) en l’absence de champ électrique ou magnétique,- les électrodes (2, 12) étant adaptées pour appliquer un champ électrique alternatif à la fréquence électrique f au film de cristal liquide (4), le champ électrique étant orienté transversalement aux lames (1), et- le champ électrique et le champ magnétique étant adaptés pour générer dans le film de cristal liquide (4) un retard optique de phase géométrique en spirale autour de l’axe magnétique (13), le retard optique de phase géométrique étant apte à transformer un faisceau lumineux polarisé circulairement à une longueur d’onde déterminée se propageant suivant un axe optique aligné avec l’axe magnétique (13) à travers l’ouverture (6) et le film de cristal liquide (4) en un vortex optique de charge topologique +2 ou -2.
- 3. Dispositif selon la revendication 2 comprenant un générateur de tension (94) relié aux bornes des électrodes (2, 12) et adapté pour générer un champ électrique de tension alternative à une fréquence électrique comprise entre 1 kHzet 100 kHz.
- 4. Dispositif selon la revendication 3 dans lequel le générateur de tension alternative est adapté pour générer une tension d’amplitude variable de manière à accorder en amplitude le retard optique de phase en fonction de la longueur d’onde du faisceau lumineux.
- 5. Dispositif selon la revendication 4 dans lequel le générateur de tension alternative est adapté pour générer une tension d’amplitude variable de manière à accorder en amplitude le retard optique de phase à une demi-longueur d’onde sur une surface annulaire autour de l’axe magnétique (13).
- 6. Dispositif selon l’une des revendications 2 à 5 dans lequel le film de cristal liquide (4) a une épaisseur L comprise entre 1 pm et 100 pm.
- 7. Dispositif selon l’une des revendications 2 à 6 dans lequel l’aimant (5) a une force magnétique correspondant à une force d’adhésion adaptée pour soulever une charge comprise entre 0,1 kg et 10 kg.
- 8. Dispositif selon l’une des revendications 2 à 7 dans lequel l’ouverture (6) traversante de l’aimant (5) est de forme cylindrique ou conique ou pyramidale, l’ouverture étant de section carrée ou circulaire ou polygonale.
- 9. Dispositif selon l’une des revendications 2 à 8 dans lequel l’ouverture (6) traversante de l’aimant (5) a une dimension dans un plan transverse à l’axe magnétique (13) comprise entre un millimètre et quelques centimètres.
- 10. Dispositif selon l’une des revendications 2 à 9 dans lequel le cristal liquide (4) nématique est choisi parmi un groupe de matériaux ayant une anisotropie diélectrique négative dans une gamme de fréquence comprise entre 1 kHz et 100 kHz.
- 11. Dispositif selon l’une des revendications 2 à 10 dans lequel le cristal liquide (4) nématique est un cristal liquide (4) nématique double fréquence dont l’anisotropie diélectrique change de signe à une fréquence électrique de coupure fc.
- 12. Dispositif selon l’une des revendications 2 à 11 comprenant un polariseur (92) et/ou un analyseur (96) de polarisation, le polariseur (92) étant disposé en amont du film de cristal liquide (4) et/ou l’analyseur (96) de polarisation étant disposé en aval du film de cristal liquide (4).
- 13. Système comprenant un dispositif selon l’une des revendications 2 à 12, comprenant en outre une source lumineuse (90) et un photo-détecteur (99), la source lumineuse (90) étant adaptée pour générer un faisceau lumineux incident (91) se propageant suivant un axe optique aligné sur l’axe magnétique (13) de l’aimant (5) à travers l’ouverture (6) et le film de cristal liquide (4) pour former un faisceau transmis (97) en aval du film de cristal liquide (4) et le photo-détecteur (99) étant disposé pour recevoir le faisceau transmis (97) et générer un signal détecté.
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| BAEKSIK SON ET AL: "Optical vortex arrays from smectic liquid crystals", OPTICS EXPRESS, vol. 22, no. 4, 20 February 2014 (2014-02-20), pages 4699, XP055529867, DOI: 10.1364/OE.22.004699 * |
| P. PIERANSKI ET AL: "Generation of umbilics by magnets and flows", LIQUID CRYSTALS, vol. 40, no. 12, 1 December 2013 (2013-12-01), GB, pages 1593 - 1608, XP055529352, ISSN: 0267-8292, DOI: 10.1080/02678292.2012.742581 * |
| PAU GUILLAMAT ET AL: "Control of active liquid crystals with a magnetic field", PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF THE UNITED STATES OF AMERICA, vol. 113, no. 20, 2 May 2016 (2016-05-02), US, pages 5498 - 5502, XP055529378, ISSN: 0027-8424, DOI: 10.1073/pnas.1600339113 * |
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