WO2019186015A1 - Dispositif à retard optique de phase géométrique ajustable et procédé de génération d'un retard optique de phase géométrique ajustable - Google Patents

Dispositif à retard optique de phase géométrique ajustable et procédé de génération d'un retard optique de phase géométrique ajustable Download PDF

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WO2019186015A1
WO2019186015A1 PCT/FR2019/050572 FR2019050572W WO2019186015A1 WO 2019186015 A1 WO2019186015 A1 WO 2019186015A1 FR 2019050572 W FR2019050572 W FR 2019050572W WO 2019186015 A1 WO2019186015 A1 WO 2019186015A1
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crystal film
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magnetic
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PCT/FR2019/050572
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Etienne BRASSELET
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Universite de Bordeaux
Centre National De La Recherche Scientifique
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    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/09—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on magneto-optical elements, e.g. exhibiting Faraday effect
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
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    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/137—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
    • G02F1/13768—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on magneto-optical effects

Definitions

  • the present invention generally relates to the field of optical components for modulating the properties of light.
  • It relates more particularly to the field of devices and methods for generating a geometrical phase delay based on the spatial structuring of birefringent media. It relates in particular to the use of such a device for generating an optical vortex or an optical vortex superposition.
  • phase singularities correspond to places in space where the wave field is indefinite.
  • an optical vortex is defined as a point around which the phase of the electromagnetic field of a light wave is wound so as to traverse an integer 1 (positive or negative) of times 2p per revolution in a given plane. In general, this is associated with a spatially variable electromagnetic field, the electromagnetic field having a complex amplitude proportional to bcr ( ⁇ lf) where f is the polar angle around the point of singularity in the plane in question and l is called the charge topological phase singularity.
  • a light beam carrying one or more phase singularities is usually designated by vortex beam or even optical vortex.
  • Optical vortices are like vortices of light whose helical wave fronts have a right or left winding associated with the sign of the topological charge.
  • phase masks For more than twenty years, new planar optical components have appeared to modify the phase of a light field using uniaxial media whose spatial distribution of the orientation of the optical axis in the plane of the component defined by the azimuth angle y is inhomogeneous and the phase delay D associated with the birefringence is uniform.
  • phase masks For more than twenty years, new planar optical components have appeared to modify the phase of a light field using uniaxial media whose spatial distribution of the orientation of the optical axis in the plane of the component defined by the azimuth angle y is inhomogeneous and the phase delay D associated with the birefringence is uniform.
  • phase masks For more than twenty years, new planar optical components have appeared to modify the phase of a light field using uniaxial media whose spatial distribution of the orientation of the optical axis in the plane of the component defined by the azimuth angle y is inhomogeneous and the phase delay D associated with the birefringence is uniform.
  • phase masks For more than twenty years
  • the component acts as a phase mask printing a phase term of the form bcr ( ⁇ 2 ⁇ y) to a circularly incident incident field, where the sign ⁇ depends on the right or left nature of the incident circular polarization state.
  • These optical components are used as usual delay plates in combination with an incident light beam emitted by a laser or an incoherent light source.
  • Geometric phase optical components can be manufactured in different ways.
  • Technology relies on the use of subwavelength diffraction gratings formed by permanent nano-texturing of an isotropic transparent material such as glass.
  • Another technology is based on the use of liquid crystals or liquid crystal polymers whose structuring of the optical axis, given by the molecular orientation of the liquid crystal material, can be obtained in various ways, by means of structuring methods. surfaces on either side of the liquid crystal layer, or of structuring directly in volume.
  • Such geometric phase optical components when used to generate optical vortices, find applications in many fields such as contactless manipulation of matter, imaging, information and optical communications, which either in classical or quantum regime for light.
  • the geometric phase optical components available today to generate optical vortices have drawbacks. They indeed have a central zone around the point of singularity in which the orientation of the birefringence is not uniform. This central area extends generally over distances ranging from a few microns to several tens of microns, which does not allow to modulate a beam of small transverse dimension, for example a focused beam.
  • the optical delay depends on the wavelength of the incident beam, and it is generally not tunable depending on the wavelength.
  • Current devices having the smallest central areas of imperfection are not tunable.
  • the wavelength tunable devices are associated with large central areas of imperfection.
  • some technologies are associated with non-negligible diffusive losses in the visible range and even higher as the wavelength decreases.
  • the present invention proposes a method for generating an adjustable geometric phase optical delay, comprising the following steps:
  • liquid crystal film positioning a liquid crystal film between two transparent blades, planes and parallels each carrying a transparent electrode disposed face to face, the liquid crystal film being nematic of negative dielectric anisotropy at an electric frequency f,
  • the magnet comprising a through opening and the magnet being adapted to generate a magnetic field around a magnetic axis passing through the opening, the magnetic axis being transverse to the two blades, the magnetic field having a component transverse to the magnetic axis adapted to generate in the liquid crystal film a +1 topological charge structuring,
  • the geometrical phase optical delay being able to transform a light beam circularly polarized at a determined wavelength propagating along an optical axis aligned with the magnetic axis through the aperture and the liquid crystal film into a +2 or -2 topological charge optical vortex.
  • the invention also proposes an adjustable geometric phase optical delay device comprising a liquid crystal film positioned between two transparent, flat and parallel plates each carrying a transparent electrode arranged facing each other, the liquid crystal film being nematic of dielectric anisotropy negative at an electric frequency f, a permanent magnet comprising a through opening, the magnet being adapted to generate a magnetic field around a magnetic axis passing through the through opening, the magnet being positioned at a distance d from the film of liquid crystal and the magnetic axis being transverse to the two blades, the magnetic field having a transverse component to the magnetic axis adapted to generate in the liquid crystal film a topological charge structure +1, the through opening being adapted to transmit a light beam passing through the liquid crystal film, each blade having an anchor layer adapted to locally orient the molecules of the liquid crystal film perpendicularly to the blades in the absence of an electric or magnetic field, the electrodes being adapted to apply an alternating electric field to the electric frequency f to the liquid crystal film , the electric field being
  • the device comprises a voltage generator connected across the terminals of the electrodes and adapted to generate an electric field of alternating voltage at an electrical frequency of between 1 kHz and 100 kHz;
  • the AC voltage generator is adapted to generate a voltage of variable amplitude so as to tune in amplitude the optical phase delay as a function of the wavelength of the light beam;
  • the alternating voltage generator is adapted to generate a voltage of variable amplitude so as to tune in amplitude the optical phase delay at half a wavelength (modulo a wavelength) on an annular surface around the magnetic axis;
  • the liquid crystal film has a thickness L of between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m;
  • the magnet has a magnetic force corresponding to an adhesion force adapted to lift a load of between 0.1 kg and 10 kg;
  • the through opening of the magnet is cylindrical or conical or pyramidal, the opening being of square or circular or polygonal section;
  • the through opening of the magnet has a dimension in a plane transverse to the magnetic axis between one millimeter and a few centimeters;
  • the nematic liquid crystal is chosen from a group of materials having a negative dielectric anisotropy in a frequency range between 1 kHz and 100 kHz;
  • the nematic liquid crystal is a nematic double frequency liquid crystal whose dielectric anisotropy changes sign at an electric cut-off frequency fc;
  • the device comprises a polarizer and / or a polarization analyzer, the polarizer being arranged upstream of the liquid crystal film and / or the polarization analyzer being arranged downstream of the liquid crystal film.
  • the invention also relates to a system comprising a device according to one of the described embodiments and further comprising a light source and a photo-detector, the light source being adapted to generate an incident light beam propagating along an aligned optical axis on the magnetic axis of the magnet through the opening and the liquid crystal film to form a beam transmitted downstream of the liquid crystal film and the photodetector being arranged to receive the transmitted beam and generate a detected signal.
  • FIG. 1 is a diagrammatic representation in section of a device according to one embodiment
  • FIG. 2 is a schematic representation of a permanent magnet comprising a through opening with closed contours according to a sectional view and a front view,
  • FIG. 3 is a schematic representation of a permanent magnet comprising a through opening with closed contours
  • FIG. 4 is a diagram of the magnetic field lines generated by a permanent magnet comprising a through opening with closed contours
  • FIG. 5A is a schematic view of the lines of the director field in a nematic liquid crystal film, the average local orientation of the liquid crystal molecules being parallel to the tangent to these lines, at rest in the absence of any electric or magnetic external field;
  • FIG. 5B is a qualitative diagram for cutting lines tangent to the mean local orientation of nematic liquid crystal molecules of negative dielectric anisotropy in the presence of a magnetic field having a radial structure component in the plane perpendicular to the z-axis (such as that associated with the vicinity of the magnet axis represented in FIG. 3) combined with an electric field directed along the axis of the aforementioned magnet,
  • FIG. 6 is an image of an example of a liquid crystal cell structured by a magnetic field combined with an electric field as described with reference to FIG. 5 and observed in white light between crossed linear polarizers, illustrating the controlled generation of a liquid crystal defect associated with a structuration of the +1 topological charge birefringence,
  • FIG. 8 is a diagram showing a system integrating an optical vortex generator according to an embodiment
  • FIG. 9 is an example of application to the spatial filtering of a system integrating an optical vortex generator according to another embodiment.
  • an orthonormal coordinate system (x, y, z) and a spherical coordinate system are defined with a polar angle Q inclination with respect to the z axis and an azimuth angle f with respect to the x axis in a plane perpendicular to the z axis.
  • FIG. 1 there is shown schematically a sectional view of a device 103 according to one embodiment.
  • the device 103 comprises a liquid crystal cell 14 and a magnet 5.
  • the liquid crystal cell 14 comprises two blades 1, electrodes
  • the two blades 1 transparent, flat and parallel are positioned transversely to the axis z.
  • the blades 1 may be for example glass slides.
  • Each blade 1 carries at least one electrode 2 or 12 transparent arranged face to face.
  • the nematic liquid crystal film 4 of negative dielectric anisotropy at an electric frequency f is positioned between the two blades 1.
  • the blades 1 comprise on the surface an anchoring layer 3 adapted to orient the molecules of the liquid crystal in contact with the layer anchor
  • the anchoring layer 3 of the blades 1 is selected from a range of surface treatment giving a perpendicular anchorage, for example the material SE-1211 of Nissan Chemical Industries, Ltd.
  • the thickness of the liquid crystal film 4 is between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m.
  • a nematic liquid crystal whose dielectric anisotropy is negative for an applied electric frequency f.
  • the nematic liquid crystal is chosen from among many available liquid crystals, for example MLC-6608 from Merck.
  • the 10 micron thickness film L of the nematic liquid crystal MLC-6608 which has a birefringence dh of 0.083 for a wavelength of 589.3 nm and a negative dielectric anisotropy of -4.2 for a electric frequency f of 1 kHz at 20 ° C.
  • a voltage generator is connected across the terminals of the electrodes 2 and 12 and is adapted to generate an alternating voltage electric field at an electric frequency f typically between 1 kHz and 100 kHz.
  • the electrodes 2 and 12 are adapted to apply an alternating electric field to an electric frequency f for which the dielectric anisotropy of the liquid crystal is negative.
  • a nematic double frequency liquid crystal is used whose dielectric anisotropy changes sign at a cut-off frequency f c typically for a cut-off frequency range f c between 10 kHz and a few tens of kHz.
  • the device can be quickly reset by applying a voltage of a few volts associated with a frequency for which the dielectric anisotropy of the dual frequency nematic liquid crystal is positive.
  • the molecules of the nematic double frequency liquid crystal are then forced to align in the direction of the applied electric field, ie along the z axis.
  • the magnet 5 whose magnetic axis 13 is parallel to the z axis is positioned at a distance d from the liquid crystal film 4.
  • the magnet 5 is a permanent magnet.
  • the peculiarity of the magnet 5 is that it has a through opening 6 over its entire height H along the z axis and closed contours in a plane transverse to the z axis.
  • the dimensions of the through opening 6 are adapted to transmit a light beam passing through the liquid crystal film 4.
  • the magnet 5 is adapted to generate a magnetic field, having a component of the field magnetic in a plane (x, y) perpendicular to the z-axis of radial structure in the plane in (x, y) so as to induce a topological topological liquid crystal topological defect precursor +1 around the axis magnetic 13 passing through the through opening 6.
  • the transverse dimension of the through opening 6 is generally in 1 mm and 10 mm.
  • the opening 6 passing through the magnet 5 may be of cylindrical or conical or pyramidal shape, the opening being of square or circular or polygonal section.
  • the magnet 5 is cylindrical in shape with a circular section and the opening 6 is also cylindrical in shape with a circular section, the two cylinders being coaxial.
  • FIG. 2 schematically illustrates a geometry of the magnet 5 along the magnetic axis 13 and along the cutting plane AA perpendicular to the magnetic axis 13.
  • the magnet 5 has a height H of between 1 mm and 10 mm.
  • the opening 6 with closed contours passing through the magnet 5 has an internal radius Ri n of between 1 mm and 10 mm and an external radius R out of between 2 mm and 20 mm.
  • the polar angle Q illustrated in FIG. 1 or 2 is defined as the polar angle formed by the director of the molecules of the liquid crystal film and the magnetic axis 13 of the magnet 5.
  • the center O is located on the magnetic axis 13.
  • Figure 3 schematically shows in perspective an example of an annular magnet used to generate the magnetic field having a component in the plane perpendicular (x, y) to the z axis having a radial structure in this plane (x, y).
  • the annular magnet has a north pole 7 and a south pole 8 oriented along the z axis and an opening 6 passing through the magnet along the z axis.
  • the orientation of the magnetic axis 13 is north / south or south / north along the z axis.
  • the magnet 5 has dimensions of between 1 mm x 2 mm x 2 mm and 10 mm x 20 mm x 20 mm, and has an adhesive force of between 0.1 kg and 10 kg.
  • the annular magnet has a height H equal to 6 mm, an external radius R out equal to 6 mm, and the cylindrical opening of circular section an internal radius Ri n equal to 2 mm.
  • This magnet has an equivalent strength to support a load of up to 3.2 kg.
  • the annular magnet has an external radius R out equal to 7.5 mm, an internal radius R in equal at 4 mm and a height H equal to 6 mm. This magnet can support a load of up to 5 kg.
  • FIG. 4 schematically represents a sectional view of the magnetic field lines produced by an annular magnet comprising a cylindrical opening of circular section about a magnetic axis 13.
  • the star-shaped markers 41 and 42 correspond to the inversion points. of the magnetic field on the z axis which are located at a distance d, TM from the magnet 5 as shown in FIG. 4.
  • the magnet 5 is placed at a distance d from the liquid crystal film, from so that the phase is uniform over a large area around the magnetic axis 13.
  • This distance d is equal to 2 mm.
  • FIG. 5A shows the lines 51 of the director field oriented along the z axis in the liquid crystal cell at rest, that is to say in the absence of applied magnetic field and electric field.
  • the director corresponds to a unit vector n parallel to the average local orientation of the molecules of the liquid crystal film, n and n being equivalent.
  • the director is parallel to the z axis at any point of the liquid crystal film 4.
  • the lines of the director's field are perpendicular to the plane of the liquid crystal cell. 14.
  • the electric field E and the magnetic field are applied starting from an initial situation where the liquid crystal 14 is subjected to the sole action of the magnetic field of the magnet.
  • the electric field is adapted to modify the orientation of the molecules in the nematic liquid crystal film 4 between the anchoring layers 3. More precisely, the combination of the magnetic field and the electric field induces a distortion of the lines of the field of the next director.
  • the azimuth angle f is associated with a +1 topological charge for the structure of the liquid crystal, that is, it travels 2p along a closed circuit around the z axis in the plane (x, y).
  • the field of the director obtained can be considered to be invariant by rotation about the z axis.
  • the polar angle Q at the center of the liquid crystal film converges to a value uniformly, between 0 and 90 degrees, on an annular zone 53 outside the central zone 52 around the center O.
  • the value of the polar angle Q depends on the applied voltage and the liquid crystal 4. More precisely, by increasing the voltage applied across the electrodes, the value of the polar angle Q is amplified.
  • the zone 53 of uniform polar reorientation of the liquid crystal is associated with a uniform phase delay D which is adjustable by modifying the voltage applied between the electrodes 2 and 12.
  • the distortion of the lines of the director's field in the presence of the magnetic and electrical fields produces a delay optical component.
  • the self-assembling capacity of the liquid crystal film makes it possible to generate wavelength-tunable optical vortices by adjusting the applied voltage over an area of interest of the order of cm 2 while preserving a topological order high quality, without resorting to any point-to-point structuring technology on the surface or in volume.
  • the component typically acquires its stable configuration after 1 min for a 10 miti nematic liquid crystal film thickness L, and the configuration remains stable as long as the applied fields remain unchanged.
  • the wavelength range for generating optical vortices is typically between 400 nm and a few microns in practice, the maximum wavelength being of the order of 2 dhL.
  • FIG. 6 An example of structure obtained and observed in white light between crossed linear polarizers is shown in FIG. 6.
  • a central zone 52 is noted which exhibits a torsion, which does not affect the optical vortex generation process.
  • the diameter of the zone 52 corresponding to a non-uniform phase delay typically varies from L to L / 10 as the applied voltage increases.
  • Figure 7 illustrates how the device of the present disclosure is wavelength-adjustable via adjustment of the applied voltage. The curves of FIG.
  • the user can easily adjust the voltage as a function of the wavelength over a wavelength range of the incident light beam between 400 nm and 1500 nm.
  • FIG. 8 illustrates an optical bench in which the device 103 is operational.
  • a light source 90 projects an incident light beam 91 which propagates through a linear polarizer 92.
  • the polarized beam 93 obtained at the output of the linear polarizer 92 propagates along an axis coinciding with the z axis and passes through a quarter-lag plate. wave 54 at the wavelength of use.
  • the polarization state of the transmitted light beam 55 can be adjusted.
  • the polarized beam 55 passes through the opening of the magnet 5 and then passes through the liquid crystal cell 14.
  • the voltage generator 94 placed at the terminals of the electrodes of the liquid crystal cell 14 makes it possible to vary the applied electrical voltage.
  • the light beam at the output of the liquid crystal cell 14 generates an optical vortex 95 of topological load ⁇ 2 if the state of polarization of the light beam 55 is circular.
  • the beam 95 is a superposition of respective left and right polarizing optical vortices bearing respective topological loads ⁇ 2 and whose power ratio can be adjusted continuously using the orientation of the quarterwave delay plate 54.
  • An optical system 98 forms the image of the transmitted beam 97.
  • a photo detector 99 connected to a system signal processing 100 receives the transmitted beam 97 to allow observation of the beam generated by the device of the present disclosure.
  • FIG. 9 illustrates an example of application of a device 103 intended for optical imaging techniques based on Fourier filtering via a geometrical phase mask according to the present disclosure, for example for astronomical vortex coronography in astronomy or the phase contrast microscopy.
  • An incident light beam 91 illuminates an object of phase and / or amplitude 101 and then passes through a first lens 102 disposed at the focal length F of the object 101.
  • the liquid crystal cell 14 of the device 103 is positioned at a distance F of the lens 102, the z axis of the magnet being aligned with the optical axis the the lens 102.
  • the liquid crystal cell 14 is thus disposed in the Fourier plane of the object 101.
  • the light beam propagates through a second lens 104 of focal length F, positioned at a distance 2F from the first lens 102.
  • the light field 105 at the exit of the lens 104 reform the image 106 of object 101, whose zero spatial frequency has been modified by a phase factor associated with a topological load vortex ⁇ 2.
  • an objective 107 and a camera 108 collect the image formed.
  • the device 103 of the present disclosure makes it possible to modify the orientation of the birefringence axis of the liquid crystal molecules in an azimuthal manner around a central point.
  • This device 103 operates solely by applying an alternating electric field combined with a static magnetic field.
  • the device 103 does not require structuring a surface or volume material to obtain the structuring of the optical axis so as to obtain a phase mask. vector axisymmetric vortex type and based on the use of the geometric phase of light.
  • the device 103 has the advantage of being adjustable as a function of the applied voltage and / or as a function of the wavelength of the light beam.
  • Device 103 may be used for spiral phase contrast microscopy applications or manipulation of optical information based on orbital angular momentum.
  • the device according to the present disclosure has the advantage of being wavelength-tunable by simply modifying the voltage applied across the terminals. electrodes.
  • the device according to the present disclosure advantageously allows a quick and easy fabrication to structure the liquid crystal.
  • the optical vortex generator makes it possible to provide the phase of a light field incident on the device with a spiral phase term around a phase singularity associated with the location of the topological defect of the liquid crystal.
  • the structuring of the optical axis of the reoriented liquid crystal, with a topological load +1 around the topological defect, is unambiguously defined beyond a distance that is smaller as the applied electric field is large, this distance to the axis may be smaller than 100 nm.

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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

Dispositif à retard optique de phase géométrique ajustable et procédé de génération d'un retard optique do phase géométrique ajustable
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 l (positif ou négatif) de fois 2p 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 bcr(ίlf) où f est l’angle polaire autour du point de singularité dans le plan en question et l 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 l.
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 y est inhomogène et le retard de phase D 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 D est égal à p (modulo 2p) 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 bcr(±2ίy), 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 y est de la forme y=(l/2)f, de tels composants optiques permettent d’imprimer à un faisceau lumineux polarisé circulairement une singularité de phase de charge topologique ±l.
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 y=(l/2)f, 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 D 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 D=hp 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 Q d’inclinaison par rapport à l’axe z et un angle d’azimut f 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
2 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
3 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 dh 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 Q 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 f 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 d,™ 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 Q et suivant un angle d’azimut f axisymétrique par rapport à l’axe magnétique 13. L’angle d’azimut f est associé à une charge topologique +1 pour la structure du cristal liquide, autrement dit, il parcourt 2p 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 Q 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 Q 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 Q. La zone 53 de réorientation polaire uniforme du cristal liquide est associée à un retard de phase D 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 D=hp, 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 l=±2 à partir d’un champ lumineux polarisé circulairement et associé à l=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 bcr(±2ίf).
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 miti, 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 dh 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 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

REVENDICATIONS
1. 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 kHz et 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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