Développement d'un polarimètre de Mueller instantané par codage en longueur d’onde : application à la caractérisation de cristaux liquides ferroélectriques

Development of a snapshot Mueller matrix polarimeter by wavelenght polarization coding : application to the caraterization of ferroelectric liquid crystals

• Auteur / Autrice : Matthieu Dubreuil
• Direction : Bernard Le Jeune
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la matière. Milieux dilués et optique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Brest

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux ferroélectriques

Cristaux liquides

Polarimétrie

Mots clés libres

Optique

Instrumentation

Caractérisation

Polarisation

PolarimétrieMatrice de Mueller

Étalonnage

Cristaux liquides

Cristaux liquides ferroélectriques

Modélisation

Dynamique

Résumé

Les polarimètres de Mueller sont des instruments qui mesurent la réponse polarimétrique linéaire complète d’un milieu, dans le but de déterminer ses propriétés de dichroïsme, de biréfringence et de dépolarisation. Jusqu’à présent, ces instruments utilisaient une génération séquentielle des multiples états de polarisation nécessaires au calcul d’une matrice de Mueller, leur temps d’acquisition étant donc limité à la milliseconde. Nous proposons dans cette thèse de développer le premier polarimètre de Mueller dont le codage de la polarisation est effectué dans le domaine spectral, ce qui permet une génération parallèle des états de polarisation. Le temps d’acquisition d’une matrice de Mueller est alors limité par le temps d’intégration du détecteur, qui peut être potentiellement très court (<ms). L’objet de la thèse a été dans un premier temps de valider expérimentalement un polarimètre de Mueller par codage en longueur d’onde, que nous avons dénommé “le polarimètre de Mueller instantané”. Il s’agit d’utiliser une source large bande (10nm), des lames de phases d’ordre élevé et un spectromètre couplé à une caméra CCD pour disperser tous les états de polarisation. L’étalonnage de l’instrument a été effectué, et s’appuie sur une modélisation détaillée des composants optiques utilisés dans le montage. La précision du polarimètre a été évaluée à 3%, grâce à des mesures sur des milieux connus. La stabilisation du polarimètre a également été envisagée, pour prendre en compte les dérives dues à la température et aux contraintes appliquées à la fibre optique. Enfin, deux pistes théoriques d’optimisation ont été proposées, à savoir le choix idéal de la configuration d’épaisseur des lames de phase et l’utilisation d’un polarimètre à deux voies de détection. L’instrument a ensuite été utilisé pour caractériser de manière statique et dynamique des cellules à cristaux liquides ferroélectriques (pure et stabilisée par polymère) en dispositif SSFLC. Cela a permis d’une part, de prouver que l’exploitation de la matrice de Mueller est avantageuse pour évaluer des organisations moléculaires dans ces échantillons, grâce à la variété d’information qu’elle propose. Puis, ces études ont également prouvé la faisabilité d’acquérir simplement et avec une bonne résolution temporelle des dynamiques de réorientations rapides (~100μs) avec le polarimètre instantané. Nous avons ainsi été capables en particulier de mettre en évidence le mouvement des couches smectiques lors d’une transition “up”/”down” dans une cellule SSFLC.

Mueller matrix polarimeters allow the acquisition of the full linear polarimetric response of a medium, and lead to the knowledge of its dichroism, birefringence and depolarization properties. By now, those setups used to generate the multiple states of polarization necessary for the calculation of a Mueller matrix in a sequential way, which limits their acquisition time at the millisecond scale. In this work, we propose the development of the first experimental Mueller matrix polarimeter with a spectral encoding of the polarization, so as to parallelize the generation of polarization’s states. The acquisition time of a Mueller matrix is thus limited by the acquisition time of the detector, and could be very short (<ms). The aim of this thesis was, first of all, the experimental validation of the first Mueller matrix polarimeter by wavelength polarization coding, which was named the “snapshot Mueller matrix polarimeter”. The instrument use a broadband source (l0nm), high order retarders and a spectrometer coupled with a CCD camera. The calibration of the instrument was done, and relies upon a detailed modelling of the optical elements at play. The precision of the polarimeter was estimated to 3%, thanks to measurements on well known media. The stabilization of the polarimeter was also considered, in order to take into account the deviations due to temperature changes, and strains applied on the optical fiber. Finally, two theoretical ways of optimization were proposed: the ideal choice of the thickness configuration for the retarders and the use of a two-channel polarimeter. The instrument was then used to perform static and dynamic characterization of ferroelectric liquid crystal cells (pure and polymer-stabilized), in the SSFLC geometry. It first proved the benefits of the exploitation of Mueller matrices for the evaluation of structures in such samples, thanks to numerous parameters. Then, those studies proved the feasibility of following fast dynamic reorientations (~l00µs) with a simple and rapid tool. Particularly, we showed that the smectic layers reorient during the “up”/”down” transition of a SSFLC cell.