Comprendre les lames à retard

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Les lames à retard, également connues sous le nom de lames d’ondes ou retardateurs, transmettent la lumière et modifient son état de polarisation sans atténuer, dévier ni décaler le faisceau. Elles effectuent cela en retardant (ou reportant) un composant de polarisation par rapport à son composant orthogonal. Dans le cas de la lumière non polarisée, les Lames à Retard jouent le rôle de fenêtres : il s’agit de composants optiques de surface plane à travers lesquels passe la lumière. Le concept de lames à retard portant sur la lumière polarisée est un peu plus complexe. Pour simplifier le processus, prenez en considération la terminologie essentielle et les spécifications, la fabrication, les types de produit courants de même que les exemples d’application.

TERMINOLOGIE ET SPÉCIFICATIONS DES LAMES À RETARD

Biréfringence : les lames à retard se composent de matériaux biréfringents, généralement de quartz de cristal. Les matériaux biréfringents présentent des indices de réfraction légèrement différents pour la lumière polarisée selon différentes orientations. En tant que tels, ils séparent la lumière non polarisée incidente en ses composants parallèle et orthogonal (Figure 1).

Figure 1 : Cristal de calcite biréfringent séparant la lumière non polarisée

Axe rapide et axe lent : la lumière polarisée le long de l’axe rapide est sujette à un indice de réfraction moindre et traverse plus rapidement les lames à retard par rapport à la lumière polarisée le long de l’axe lent. L’axe rapide est représenté par un petit point ou spot aplani sur le diamètre de l’axe rapide d’une lame à retard non montée, ou par une marque au niveau de la monture de cellule d’une lame à retard montée.

Figure 2 : Une lame à retard (retardateur) d’ordre zéro haute précision Edmund Optics® avec ligne d’indication blanche sur la monture de cellule

Retard : on entend par retard le déphasage ayant lieu entre le composant de polarisation projeté le long de l’axe rapide et le composant projeté le long de l’axe lent. Le retard est exprimé en degrés, en ondes ou en nanomètres. Une onde de retard complète équivaut à 360° ou au nombre de nanomètres à la longueur d’onde d’intérêt. La tolérance de retard est généralement exprimée en degrés, en fractions naturelles ou décimales d’une onde complète ou en nanomètres. Voici quelques exemples de spécifications et de tolérances de retard couramment utilisées :

λ/4 ± λ/300
λ/2 ± 0.003λ
λ/2 ± 1°
430nm ± 2nm

Les valeurs de retard les plus usitées sont λ/4, λ/2 et 1 λ, mais d’autres valeurs peuvent être utiles dans certaines applications. Par exemple, la réflexion interne d’un prisme provoque un changement de phase entre les composants, ce qui peut poser problème. Une lame à retard de compensation peut rétablir la polarisation souhaitée.

Dans la Figure 3 ci-dessous, 4 valeurs de retard sont indiquées relativement à une onde sinusoïdale d’origine. L’onde représentée en orange est retardée d’un quart d’onde, l’onde en jaune d’une demi-onde, l’onde en vert de trois quarts d’onde et enfin l’onde en bleu d’une onde complète. Le retard d’un quart d’onde transforme l’onde sinusoïdale en onde cosinusoïdale et le retard d’une onde complète laisse l’onde se dérouler. Les lames à retard les plus couramment utilisées correspondent à des retards de quart d’onde et de demi-onde, étant donné qu’elles peuvent être empilées pour donner des valeurs de retard supplémentaires. 

Figure 3 : Retards d’une onde de champ électrique

Ordre multiple : dans les lames à retard d’ordre multiple, le retard total correspond au retard souhaité plus un nombre entier. La portion de l’entier en excès n’a aucun effet sur les performances, de la même manière qu’une horloge indiquant midi aujourd’hui est identique à une horloge indiquant midi une semaine plus tard. Bien qu’une période de temps ait été ajoutée, le résultat est le même.

Bien que les lames à retard d’ordre multiple soient conçues à partir d’un seul matériau biréfringent, elles peuvent être relativement épaisses, ce qui facilite leur manipulation et leur intégration au système. Cette épaisseur importante, en revanche, rend les lames à retard d’ordre multiple plus susceptibles de subir des décalages de retard provoqués par des changements de longueur d’onde ou des fluctuations de la température ambiante.

Ordre zéro : – dans les lames à retard d’ordre zéro, le retard total correspond à la valeur souhaitée sans excès. Par exemple, les Lames à Retard en Quartz d’Ordre Multiple sont constituées de deux lames à retard en quartz d’ordre multiple dont les axes se croisent de sorte que le retard effectif corresponde à la différence entre les deux.

La lame à retard d’ordre zéro standard, également appelée lame à retard d’ordre zéro composée, consiste en plusieurs lames à retard d’un même matériau biréfringent, positionnées de manière perpendiculaire par rapport à l’axe optique. L’utilisation de plusieurs lames à retard en couches permet de compenser les décalages de retard survenant au niveau des lames à retard individuelles, améliorant la stabilité de retard en lien avec les changements de longueur d’onde et les fluctuations de température ambiante. Les lames à retard d’ordre zéro standard n’apportent pas d’amélioration en termes de décalages de retard provoqués par une différence d’angle d’incidence.

Les véritables lames à retard d’ordre zéro, telles que les Lames à Retard en Polymère, se composent d’un matériau biréfringent unique ayant été traité pour former une lame ultra-fine dont l’épaisseur peut ne pas dépasser quelques microns afin d’obtenir un niveau spécifique de retard d’ordre zéro. L’épaisseur de la lame peut rendre la manipulation ou l’assemblage de la lame à retard plus difficile. Cependant, les véritables lames à retard d’ordre zéro offrent un niveau supérieur de stabilité de retard concernant les changements de longueur d’onde et les fluctuations de température ambiante, de même qu’un angle d’incidence différent comparé aux autres types de lame à retard.

Achromatique : les lames à retard achromatiques sont constituées de deux matériaux différents éliminant pratiquement la dispersion chromatique. Les lentilles achromatiques standard se composent de deux types de verre combinés pour obtenir la distance focale souhaitée, tout en minimisant ou en supprimant le risque d’aberrations chromatiques. Les lames à retard achromatiques fonctionnent sur la base du même principe. Par exemple, les Lames à Retard Achromatiques peuvent être fabriquées à partir de quartz de cristal et de fluorure de magnésium afin d’obtenir un retard quasiment constant sur une large bande spectrale.

Super-achromatiques : les lames à retard super-achromatiques constituent un type de lame à retard achromatique spécifique utilisé pour éliminer le problème de dispersion chromatique pour une gamme d’ondes beaucoup plus large. De nombreuses lames à retard super-achromatiques peuvent être utilisées à la fois pour le spectre visible et le domaine proche infrarouge avec une uniformité presque similaire, voire meilleure que les lames à retard achromatiques conventionnelles. Tandis que les lames à retard achromatiques sont généralement fabriquées à partir de quartz et de fluorure de magnésium d’épaisseurs spécifiques, les lames à retard super-achromatiques utilisent un substrat de saphir supplémentaire en plus du quartz et du fluorure de magnésium. L’épaisseur des trois substrats est déterminée de manière stratégique afin d’éliminer le risque de dispersion chromatique pour une plus grande diversité de longueurs d’onde.

FABRICATION ET CONSTRUCTION

Fabrication

La fabrication des Lames à Retard est particulièrement délicate en comparaison avec d’autres composants optiques. Elles se composent de matériaux cristallins devant être coupés de sorte que leurs axes soient orientés avec une précision de quelques minutes d’arc. Elles doivent ensuite être polies pour obtenir une finition de qualité laser, un parallélisme à la seconde d’arc près et un front d’onde <λ/10 . Il n’y a pas de marge de correction, leur tolérance d’épaisseur équivalant à une petite fraction de micron. Pour vérifier les tolérances de retard, les techniciens optiques spécialement formés utilisent du matériel de test spécifique. Suite à un traitement antireflets, les lames à retard d’ordre zéro et achromatiques sont assemblées par paires et alignées l’une à l’autre avec précision au sein de leurs montures de cellule.

Les lames à retard en quartz sont idéales pour les applications requérant des seuils de dommage élevés et une bonne stabilité de retard en cas de fluctuations de température, notamment en cas d’utilisation avec des sources de lumière infrarouge ou lasers.

Les lames à retard en polymère consistent en de fines feuilles composites de polymère entre deux plaques de verre et présentent de nombreux avantages parmi ceux des conceptions d’ordre zéro, notamment un excellent champ de vision angulaire et une plus faible sensibilité aux angles d’incidence par rapport à des lames à retard en quartz d’ordre similaire. Tandis que les lames en verre augmentent la durabilité et facilitent la manipulation, de nombreuses lames à retard en polymère contiennent des couches adhésives et ne sont donc pas recommandées pour les lasers haute puissance ou les applications à haute température.

Construction

Les lames à retard d’ordre multiple se composent d’une plaque unique, non montée ou assemblée au niveau du bord sur cellule en aluminium. Il existe deux méthodes de construction usuelles pour les Lames à Retard d’Ordre Zéro Haute Précision et les Lames à Retard Achromatiques. La première méthode utilise un vide d’air où les deux lames, traitées sur les deux faces, sont montées sur les côtés opposés d’un espaceur, puis placées au sein d’une cellule. La déviation de faisceau est généralement <0.5 secondes d’arc. Il est important de souligner que la gestion de puissance est vivement recommandée, en particulier concernant les lasers pulsés, en cas d’utilisation de lames à retard construites avec des vides d’air. La deuxième méthode implique le collage de lentilles achromatiques entre elles au moyen d’une couche transparente de ciment optique tout le long de leurs diamètres. Un traitement antireflets est ensuite appliqué sur leurs surfaces externes uniquement. Le front d’onde transmis est <λ/4 à 633 nm; la déviation de faisceau est <1 minute d’arc.

CHOISIR LES BONNES LAMES À RETARD

Lames à retard d’ordre multiple

Composées d’une seule lame de quartz de cristal (d’une épaisseur nominale de 0,5 mm), les lames à retard d’ordre multiple sont les moins coûteuses parmi les trois types. Leur retard change en fonction de la température (Figure 4) et change considérablement en fonction de la longueur d’onde (Figure 5). Elles constituent un bon choix pour une utilisation avec la lumière monochromatique dans un environnement climatisé. Leur utilisation est le plus souvent associée à un laser au sein d’un laboratoire. En revanche, les applications telles que la minéralogie exploitent la variation chromatique (changement de retard par rapport à la longueur d’onde) inhérente des Lames à Retard d’Ordre Multiple.

Figure 4 : Retard par rapport à la température pour une lame à retard d’ordre multiple de 7,25 λ à 632,8 nm

Figure 5 : Retard par rapport à la longueur d’onde pour une lame à retard d’ordre multiple de 7,25 λ à 632,8 nm

Il existe une alternative aux lames à retard en quartz de cristal conventionnelles, à savoir le Film Retardateur en Polymère. Ce film est disponible en plusieurs tailles et niveaux de retard, à un prix bien plus abordable que les lames à retard cristallines. En ce qui concerne les applications, les films retardateurs sont supérieurs au quartz de cristal en termes de flexibilité. Leur conception polymérique particulièrement fine facilite la découpe du film pour correspondre à la forme et la taille désirées. Ces films sont parfaitement adaptés à l’utilisation d’applications avec écrans LCD et fibres optiques. Le Film Retardateur en Polymère est également disponible en versions achromatiques. Cependant, ce film présente un seuil de dommage relativement bas et ne doit pas être utilisé avec des sources de lumière haute puissance comme des lasers. En outre, son utilisation est limitée au spectre visible. Les applications de rayonnement ultraviolet, infrarouge ou proche infrarouge requièrent une alternative.

Lames à retard d’ordre zéro

Étant donné que leur retard total est un faible pourcentage du type d’ordre multiple, le retard pour les lames à retard d’ordre zéro est beaucoup plus constant en matière de température (Figure 6) et de variations de longueur d’onde (Figure 7). Dans les situations nécessitant un niveau de stabilité supérieur ou requérant des excursions de température plus importantes, les lames à retard d’ordre zéro constituent le meilleur choix. Les exemples d’application incluent l’observation d’une longueur d’onde élargie ou la prise de mesures à l’aide d’un instrument utilisé dans le champ.

Figure 6 : Retard par rapport à la température pour une lame à retard d’ordre zéro de λ/4 à 632,8 nm

Figure 7 : Retard par rapport à la longueur d’onde pour une lame à retard d’ordre zéro de λ/4 à 632,8 nm

Lames à retard achromatiques

En raison de la compensation des deux matériaux, les lames à retard achromatiques sont encore beaucoup plus constantes que les lames à retard d’ordre zéro (Figure 8). Si la situation couvre plusieurs longueurs d’onde spectrales ou l’intégralité d’une bande spectrale (du violet au rouge par exemple), les lames à retard achromatiques constituent le meilleur choix.

Figure 8 : : Retard par rapport à la longueur d’onde pour une lame à retard achromatique à 610 – 850 nm

Parallélépipèdes retardateurs de Fresnel

Les Parallélépipèdes retardateurs de Fresnel utilize internal reflection at specific angles within the prism structure to impart a retardance to incident polarized light. Each reflection of light typically advances the p-polarized light component by λ/8. As the light exits the prism having reflected from two surfaces, the total retardance through a singular rhomb retarder is λ/4. Additionally, two rhomb retarders can be cemented together to achieve a λ/2 retardance version as well. The variation in retardance is within 2% across the wavelength range. These retarders are optimized for use with diode and fiber applications. Because Fresnel Rhomb Retarders function based on total internal reflection, they can be used for broadband or achromatic use.

Figure 9 : retard de parallélépipède retardateur de Fresnel de λ/4 (gauche) et retard de parallélépipède retardateur de Fresnel de λ/2 (droite

Rotateurs de polarisation en quartz de cristal

Les Rotateurs de Polarisation en Quartz Cristallin are single crystals of quartz that rotate the polarization of incident light independent of the alignment between the rotator and the light’s polarization. This is due to the optical activity of the quartz associated with the crystal structure. Quartz has two enantiomorphs, which means that the crystal lattice of SiO₄ peut former deux structures différentes constituant des images miroir l’une de l’autre. La structure du cristal détermine la progression de la polarisation de la lumière dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Parce qu’ils provoquent la rotation du plan de polarisation selon un angle spécifique, les rotateurs de polarisation en quartz de cristal sont une très bonne alternative aux lames à retard et peuvent être utilisés pour la rotation de l’intégralité de la polarisation de la lumière le long de l’axe optique, et non simplement un composant lumineux unique. Le sens de propagation de la lumière incidente doit être perpendiculaire au rotateur.

Figure 10 : Un rotateur de polarisation en quartz de cristal en cours de rotation d’une polarisation entrante de 90°

Produit pertinent

Lames à Retard

EXEMPLES D’APPLICATION

Polarisation linéaire rotative

Il est parfois nécessaire d’altérer la polarisation existante d’un système optique. Par exemple, les lasers sont généralement polarisés horizontalement. Si le système nécessite que la lumière laser se réfléchisse sur une surface métallique, cela peut être problématique car les miroirs fonctionnent au mieux avec une lumière polarisée verticalement. Quelle est la solution ? Une Lame à Retard de λ/2 dont les axes sont orientés à 45° entraîne une rotation de la polarisation à la verticale.

Figure 11 : Rotation de polarisation linéaire de la verticale à l’horizontale à l’aide d’une lame à retard de λ/2

Autre exemple : lorsqu’il est souhaitable de régler l’axe de polarisation selon une orientation différente. La rotation de l’axe de lame à retard selon un angle de θ par rapport à la polarisation incidente entraîne une rotation de la polarisation sortante de 2θ. Les lames à retard étant hautement parallèles, l’insertion ou la rotation d’une lame à retard de λ/2 peut reconfigurer l’intégralité du réglage optique sans réalignement.

Transformation entre polarisation linéaire et circulaire

La lumière polarisée de façon linéaire peut être transformée en lumière polarisée de manière circulaire et vice-versa, en orientant un polariseur linéaire et une lame à retard de λ/4 d’une certaine manière. Par exemple, une lame à retard de λ/4 dont les axes sont orientés à 45° par rapport à la polarisation linéaire produit une polarisation circulaire. En passant à travers une lame à retard de λ/4, la polarisation circulaire, dont l’orientation est indéterminée, produit une polarisation linéaire à 45° par rapport à l’axe de la lame à retard. De plus, si la lumière polarisée de manière linéaire pénètre une lame à retard de λ/4 à un angle quelconque qui ne soit pas 45°, la lumière devient polarisée de manière elliptique.

Figure 12 : Circularisation de polarisation linéaire avec une lame à retard de λ/4

Isolation optique à l’aide d’un polariseur linéaire

Un polariseur linéaire associé à une lame à retard de λ/4 crée un système d’isolation optique où la lumière polarisée par le polariseur linéaire traverse la lame à retard de λ/4 sans atténuation mais se transforme en polarisation circulaire. Réfléchie dans un miroir, la lumière polarisée de manière circulaire rencontre à nouveau la lame à retard et revient à la polarisation linéaire, mais avec une rotation de 90° (Figure 13). Remarque : Deux traversées d’une lame de λ/4 équivalent à une traversée d’une lame de λ/2. La lumière réorientée est rejetée par le polariseur linéaire. Ce système utilise une technique de double traversée afin d’éliminer cette contre-réaction.

Figure 13 : Rotation de la polarisation linéaire avec une lame à retard de λ/2

Isolation optique à l’aide d’un séparateur de faisceau : pour une transmission de lumière efficace

Un Séparateur de Faisceau Polarisant peut remplacer le polariseur linéaire dans l’exemple d’application d’isolation optique de la Figure 13. Ce système permet de rediriger la lumière renvoyée selon un trajet alternatif, sans atténuation (Figure 11). Par contre, la double traversée d’un séparateur de faisceau non polarisé ne renvoie en théorie qu’un maximum de 25% dans le trajet souhaité et de 25% dans un autre trajet.

Figure 14 : Système de séparateur de faisceau polarisant associé à une lame à retard de λ/4 illustrant le principe d’isolation optique

Les Lames à Retard sont parfaitement adaptées au contrôle et à l’analyse de l’état de polarisation de la lumière. Il en existe trois types principaux : d’ordre zéro, d’ordre multiple et achromatiques, chaque type présentant des avantages uniques selon l’application utilisée. Une bonne compréhension des terminologies essentielles et des méthodes de fabrication aide à choisir la lame à retard la plus adaptée, quel que soit le niveau de complexité du système optique.