Fabriquer un « vortex optique » avec une goutte de cristal liquide

Depuis une quinzaine d’années, les physiciens fabriquent des faisceaux de lumière particuliers qu’ils surnomment vortex optiques. D’une structure analogue à celle d’un tourbillon (« vortex » en anglais), ces faisceaux, dont l’énergie s’écoule en spirale autour de la direction de propagation, peuvent mettre en rotation les objets (microscopiques) qu’ils éclairent. Ils complètent ainsi tout naturellement les pinces optiques qui permettent de piéger et manipuler des objets microscopiques par le seul effet des forces exercées par une lumière laser focalisée et intense. Jusqu’à présent, ces faisceaux étaient obtenus à l’aide d’éléments optiques de taille macroscopique dont la fabrication reste délicate. Etienne Brasselet, chercheur au Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne (UMR 5798, CNRS/Université Bordeaux 1), et ses collègues Japonais (Université d’Hokkaido, Sapporo) viennent de proposer une méthode alternative pour fabriquer des vortex optiques permettant de réduire d’un facteur 1000 la taille du dispositif optique et de s’affranchir de l’étape technologique de la mise en forme du matériau. Ils utilisent pour cela une goutte de cristal liquide de quelques micromètres de diamètre.

Pour mettre au point cette nouvelle méthode, les physiciens, ont préparé des gouttes sphériques de cristal liquide de taille micrométrique en suspension dans de l’eau. Ils ont ensuite ajouté un surfactant, qui, au contact des gouttes, confère au cristal liquide une organisation spatiale à symétrie sphérique des molécules en forme de bâtonnets qui le constituent. Cet ordre moléculaire au sein de la goutte est à l’origine de propriétés optiques toutes particulières. Il ne reste plus qu’à piéger l’une de ces gouttes avec un faisceau laser fortement focalisé et polarisé circulairement. En analysant la lumière diffusée par la goutte, les physiciens ont démontré que celle-ci avait bien les propriétés d’un vortex optique dont l’apparition résulte d’un couplage entre la polarisation et la structure spatiale de la phase de l’onde lumineuse. Outre la petite taille du dispositif, cette méthode a pour avantage de s’aligner automatiquement : c’est le faisceau laser envoyé sur la goutte qui maintient celle-ci en son centre.

Figure

A droite : illustration de la génération d’un vortex optique à l’aide d’une goutte de cristal liquide dite "radiale" à travers laquelle passe un faisceau laser Gaussien focalisé et polarisé circulairement. Le front d’onde devient spiralé (vortex) suite à un couplage entre la polarisation de l’onde incidente et les propriétés de biréfringence de la goutte. A gauche : image entre polariseurs croisés de la goutte de cristal liquide (a) et représentation de l’ordre moléculaire 3D radial à l’intérieur de la goutte (b).