SEPARATEUR DE POLARISATIONS
L'invention concerne un séparateur de polarisations optiques réalisant la séparation spatiale de deux composantes de polarisation orthogonales avec une large acceptance angulaire et spectrale Ce séparateur est applicable particulièrement dans la visualisation à cristal liquide En effet, l'utilisation de séparateurs de polarisations ou PBS (Polaπzation Beam Sphtter) permet d'améliorer le rendement lumineux dans des architectures de projecteurs à cristaux liquides transmisses ou de séparer le faisceau issu de l'éclairage de celui, modulé, devant être projeté, dans des architectures de projecteurs cristaux liquides réflexifs II existe deux grandes familles de séparateurs de polarisation
Une première famille utilise conjointement un filtre interférentiel composé de couches diélectriques et l'effet Brewster II s'agit du polaπseur de type Neille décrit par exemple dans le document « High Performance Thm Film Polaπzer for the UV and visible spectral régions » de J A DOBROWOLSKI and A WALDORF, Applied Optics, Vol 20, p 111 , 1981
Cette technique est très utilisée dans les séparateurs de polarisations actuellement disponibles sur le marché Un tel séparateur se présente généralement sous forme d'un cube, les couches diélectriques faisant un angle de 45° avec la normale Leur principal défaut est la faible acceptance angulaire, de l'ordre de ± 7°, souvent insuffisante pour les applications en visualisation La bande spectrale accessible dépend de la combinaison des couches et peut atteindre l'ensemble du spectre visible
Une deuxième famille de séparateurs utilise la réflexion totale de la lumière lorsque celle-ci franchit un dioptre, passant d'un milieu d'indice ni à un milieu d'indice
> n2 L'angle ΘR à partir duquel il y a réflexion totale se déduit des lois de Fresnel
ΘR = arcsin ^-
Pour tout angle θ > ΘR, il y aura réflexion totale Le principe d'un tel séparateur est représenté par la figure 1 ainsi que par exemple dans la demande de brevet français n° 2 685 500 Deux prismes 1 et 2 d'indice élevé sont séparés par une couche biréfringente 3
composée d'un cristal liquide poiyméπsé L'axe optique de la couche est confondu avec le directeur de la molécule de cristal liquide de forme allongée Les molécules sont alignées selon le plan de la couche de cristal liquide Soit ne l'indice extraordinaire du cristal liquide, n0 l'indice ordinaire Pour les cristaux liquides nematiques, on a ne > n0 Supposons les indices des deux primes égaux a ne L'une des polarisations incidentes sur l'interface prisme/couche de cristal liquide avec un angle
θ = ΘR = arcsin — — ne
verra l'indice ne et sera intégralement transmise, tandis que la polarisation orthogonale verra n0 se retrouvant ainsi dans des conditions de réflexion totale elle est alors intégralement réfléchie
Soit P la polarisation dans le plan d'incidence (plan du dessin de la figure 1 ) Soit S la polarisation perpendiculaire au plan d'incidence (et perpendiculaire au plan du dessin) On voit que
P voit l'indice n0 et est totalement réfléchie pour Θ > ΘR - S voit l'indice ne et est totalement transmise L'exemple numérique donné dans la demande de brevet français n° 2 685 500 correspond au cas du cristal liquide nématique n0 = 1 5 ne = 1 65 indice des 2 prismes ΘR = 65 (dans le prisme) pour stabiliser la structure, le cristal liquide est polyméπsé Les angles pour lesquels la séparation de polarisation s'opère sont compris entre 62° et 85° (on ne compte pas les angles de 85 à 90° difficiles à utiliser) soit ± 12° dans un milieu d'indice 1 7 ce qui correspond à ± + 20° dans l'air On voit que l'acceptance angulaire de ce composant est meilleure que celle d'un séparateur interférentiel-Brewster La réflexion totale est de plus indépendante de la longueur d'onde λ, dans la mesure où les indices ne et n0 de la couche varient peu avec λ
L'invention concerne un dispositif dans lequel la couche biréfringente est de nature différente
L'invention concerne donc un séparateur de polarisations comprenant un milieu séparateur compris entre deux éléments transparents d'indices déterminés, caractérisé en ce que le milieu séparateur comprend une structure périodique de couches de matériaux d'indices différents de pas faible devant la longueur d'onde d'un faisceau incident Cet empilement forme par « form biréfringence » un milieu biréfringent uniaxe d'axe optique perpendiculaire au plan de la structure périodique
Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent
- la figure 1 , un exemple de séparateur connu dans la technique ,
- la figure 2, un exemple de réalisation d'un séparateur selon l'invention , - la figure 3, un schéma explicatif de la structure de la figure 2 ,
- les figures 4 et 5, des courbes d'indices ordinaire et extraordinaire
On va maintenant décrire un exemple de réalisation d'un séparateur de polarisations selon l'invention Ce séparateur tel que celui représenté en figure 2 comporte une structure périodique d'indice 13 comprise entre deux milieux 11 et 12 transparents aux longueurs d'ondes du faisceau lumineux incident à traiter
La structure périodique est de préférence une alternance de couches minces de deux matériaux d'indices différents ni et n2 Elle peut être également un réseau en volume enregistré dans un matériau holographique Le pas de la structure périodique est faible devant les longueurs d'Ondes du faisceau incident
Lorsque le pas de la structure périodique d'indice, est suffisamment faible devant la longueur d'onde de la lumière incidente, celle- ci ne résout pas la modulation d'indice de la structure et voit un milieu biréfringent uniaxe « artificiel » dont l'axe optique est normal au plan des couches d'indice égal
Pour un empilement de couches minces d'indices n-| , n2 et d'épaisseur d-| , d2, on démontre que les indices vus par une lumière de
longueur d'onde λ telle que λ >> d-| , d2 (typiquement di d2 < λ/5 voire di , d2 < λ/10) sont
d1 + d2 d, + d ?
2 " 7 no = n , ;r— d 1 + d 2 1 d + d -
2 2
La différence n e - π o est toujours négative donc ne < n0 La multicouche diélectrique est équivalente a un cristal uniaxe négatif dont l'axe optique est perpendiculaire aux couches (cf figure 2) L'invention consiste donc à réaliser un séparateur de polarisations selon le principe de réflexion totale sur une couche biréfringente réalisée avec un empilement de couches diélectriques fonctionnant en « form biréfringence » Le séparateur selon l'invention est décrit sur la figure 3 L'indice des prismes doit être égal à l'indice fort du milieu biréfringent soit n0
La polarisation P incidente voit, compte tenu de la configuration de l'ellipsoïde des indices, un indice ne inférieur à l'indice n0 égal à celui du prisme, et est donc réfléchie pour θ > ΘR La polarisation S incidente voit un indice n0, égal à celui du prisme, et est donc intégralement transmise
On va maintenant décrire deux exemples pratiques de réalisation selon l'invention
Selon un premier exemple, le milieu biréfringent est réalisé par un empilement de couches de MgF2 et de T1O2 avec indice du MgF2 1 38 = ni, épaisseur di indice du T1O2 2 4 = n2, épaisseur d2
La courbe de la figure 4 donne les évolutions de ne et n0 en fonction de la proportion k de MgF2 en épaisseur dans l'empilement
dι d1 + d2
On voit que pour k = 0 75 on a n0 = 1 7 et πe = 1 5 II est possible d'utiliser des prismes d'indice 1 7 L'angle ΘR pour le saut d'indice 1 7-1 5 est égal à 62°
L'épaisseur des couches diélectriques di et d2 pour être dans les conditions de « form biréfringence » pour l'ensemble du spectre visible est environ telle que di + d2 < 100 nm par exemple di = 75 nm et d2 = 25 nm
On démontre que pour le cas considéré, l'épaisseur totale du multicouche doit être au moins égale à λ pour avoir une réflexion totale non frustrée L'épaisseur de 7 paires de couches MgF2 / T1O2 telles que di + d2 = 100 nm vérifie cette condition pour tout le spectre visible (λe [0 4 μm -
0 65 μm])
Selon un deuxième exemple de réalisation, le milieu biréfringent est constitué d'un empilement de couches de silicium et de couches de
MgF2 La bande passante angulaire du composant est proportionnelle à l'écart entre indice ordinaire et indice extraordinaire, lui-même fortement corrélé à l'écart entre les indices des deux matériaux constituant l'empilement diélectrique On peut utiliser des matériaux à très fort indice tel le silicium (n = 3 8), malgré le fait qu'ils ne sont pas transparents dans le visible (partie imaginaire de l'indice de 0 1 dans le bleu et de 0 01 dans le rouge) En effet, son fort indice permet de réaliser des empilements dans lesquels il n'intervient que pour une part très faible, environ 10 % (cf figure
5), son absorption est alors négligeable On voit sur la figure 5 que l'écart entre les indices ordinaire et extraordinaire obtenus avec 10 % de silicium est de 0 35
On pourrait utiliser d'autres semiconducteurs tels que AsGa et C (diamant)
Selon l'invention, le milieu séparateur est de préférence un empilement de couches à faible et fort indices et notamment les couches à fort indice peuvent être un matériau semiconducteur De plus, les milieux de part et d'autre du milieu séparateur sont d'indices déterminés Le séparateur fonctionne en optique non guidée et présente une forte acceptance angulaire