Suite à différentes demandes d'internautes au sujet de ce type de microscope, voilà ce que j'ai trouvé d'intéressant à vous montrer...

MICROSCOPE POLARISANT

Il n'est pas toujours aisé d'étudier à l’œil nu la composition minéralogique et la structure d'une roche. Pour cela, on peut préparer une lame mince de la roche (voir la vidéo en fin de page) que l'on souhaite étudier et l'observer au microscope optique polarisant. On peut ainsi utiliser les propriétés optiques des minéraux pour les identifier au sein des roches.

Microscope polarisant.

La lumière est à la fois un phénomène ondulatoire (onde électromagnétique) et corpusculaire (photons) ; on parle en physique de dualité onde-corpuscule. C'est ce phénomène ondulatoire qui nous intéresse ici. La polarisation est une propriété que les ondes vectorielles (ondes qui peuvent osciller selon plus d'une orientation) ont de présenter une répartition privilégiée de l'orientation des vibrations qui les composent. Les ondes électromagnétiques, telles que la lumière ont ainsi des propriétés de polarisation.

La lumière traverse de manière rectiligne un milieu transparent homogène. En tant qu'onde électromagnétique, elle vibre dans tous les plans perpendiculaires à sa direction de propagation.

Onde électromagnétique.gif

Onde électromagnétique.

Onde lumineuse polarisée.gif

Onde lumineuse polarisée verticalement.

En pratique, on obtient de la lumière polarisée au moyen d'un filtre polarisant.

On peut, grâce à un filtre optique appelé polariseur, contraindre l'onde lumineuse à ne vibrer que dans un seul plan.

La lumière obtenue est alors appelée lumière polarisée non analysée (LPNA).
 
En ajoutant à la suite un second filtre appelé analyseur, sans lame mince entre les deux, on observe que la lumière émise à la source ne nous parvient plus. Cela s'explique par le fait que l'analyseur est placé à 90° du polariseur (les polariseurs sont "croisés"), donc que l'unique plan de vibration de la LPNA  n'est pas celui que laisse passer l'analyseur.

Schéma de la polarisation de lame mince.
Microscope polarisant -schéma.

En plaçant une lame mince (voir en fin de page la fabrication et l'utilisation des lames minces) de roche entre le polariseur et l'analyseur, la lumière nous parvient à nouveau et l'on peut voir des formes colorées apparaître ... ce sont les minéraux ! Cette lumière ayant traversant les 2 filtres, on parle de lumière polarisée analysée (LPA).

  • Les minéraux opaques, comme les oxydes, ne laissent pas passer la lumière, ils agissent comme un filtre absorbant toutes les longueurs d'ondes de la lumière visible ; il est donc normal qu'on ne les distingue pas au microscope, en LPA comme en LPNA.

 

  • Les minéraux translucides et transparents, qui laissent passer la lumière, un peu ou totalement, agissent comme des systèmes optiques capables de réfracter la lumière, c'est-à-dire de modifier sa trajectoire à l'interface air-minéral. On pourra alors les voir à nouveau au microscope, à condition que la lame soit suffisamment mince pour laisser passer la lumière !

Il y a des translucides réfractaires à la LPA

Dans certains minéraux, la lumière se propage à la même vitesse dans toutes les directions ; ces milieux sont dits isotropes ou monoréfringents. Dans ces milieux homogènes, l'indice de réfraction i est le même dans toutes les directions, or l'indice de réfraction d'un milieu et la vitesse de propagation de la lumière au sein de ce milieu sont liés par la relation : 


n = c / v  (où c est la célérité de la lumière dans le vide).


L'isotropie concerne tous les minéraux cubiques comme les grenats. Placés entre les 2 filtres, ces minéraux se comportent comme une simple "vitre" et laissent passer la lumière polarisée sans la dévier. Cette lumière sera ensuite filtrée par l'analyseur et on ne verra que des plages sombres à leur emplacement : ils seront toujours éteints en LPA, quelque soit l'angle de la platine du microscope.

Les autres

Au sein des autres minéraux translucides, un rayon lumineux ne se propage pas de la même manière dans toutes les directions et se divise en deux rayons de vitesses différentes ; ces minéraux sont dits anisotropes. Cette propriété est appelée la biréfringence (double réfraction). Pour certains minéraux, la biréfringence est tellement marquée qu'on peut voir ce phénomène à l’œil nu : c'est le cas de la calcite optique (ou spath d'Islande).

Calcite biréfreingente.

Calcite optique, ou spath d'Islande.

Les minéraux biréfringents ont un indice de réfraction n différent selon la direction empruntée par la lumière ; or comme nous l'avons vu précédemment, il existe un lien direct entre indice de réfraction et vitesse de propagation d'une onde dans un milieu. Les deux rayons lumineux auront donc une vitesse de propagation différente au sein du minéral.

Ainsi, les 2 rayons ne "sortiront" pas du minéral au même moment : l'un aura pris du retard sur l'autre car la durée de son trajet y était plus élevée : le milieu avait dans sa direction un indice de réfraction plus grand. La durée de ce retard est proportionnelle à la biréfringence du minéral : plus un minéral sera biréfringent (c'est-à-dire plus l'écart entre ses 2 indices de réfraction sera élevé), plus l'écart de temps entre la "sortie" des 2 rayons sera grand. Le lien entre biréfringence et retard est donné par la relation R = e x B (où e est l'épaisseur de la lame mince à traverser, et dont la valeur standard est de 30 µm).

Les 2 rayons seront ensuite polarisés sur un même plan de propagation par l'analyseur. La biréfringence variant d'un minéral à l'autre, la durée de ce retard variera proportionnellement et à chaque minéral correspondra une gamme de teintes appelées teintes de polarisation. L'échelle des teintes de polarisations de Michel Levy et son assistant Alfred Lacroix, permet d'associer épaisseur de la lame mince, biréfringence et teintes de polarisation d'un minéral.

Michel Lévy, échelle de couleurs pour la polarisation des lames minces.

L'échelle de Michel-Lévy et Alfred Lacroix.

Vous pouvez télécharger le PDF de cette échelle imprimable au format A3,

à la fin de cette page.

Détails sur une lame mince de tourmaline dans quartz, Ouessant.

DEFINITIONS A RETENIR

POLARISATION DE LA LUMIERE

La polarisation optique est une propriété qu'ont les ondes vectorielles (ondes qui peuvent osciller selon plus d'une orientation) de présenter une répartition privilégiée de l'orientation des vibrations qui les composent. Les ondes électromagnétiques, telles que la lumière, ont ainsi des propriétés de polarisation.

INDICE DE REFRACTION

L'indice de réfraction d’un milieu (dont le symbole est n) se calcule en divisant la vitesse de la lumière dans le vide (c) par la vitesse de la lumière dans ce milieu (v). Le calcul est donc le suivant : n = c / v.

L'indice de réfraction permet de décrire le comportement de la lumière dans un milieu différent du vide.

ISOTROPE

Un milieu isotrope est un milieu dont les propriétés physiques sont identiques quelle que soit la direction d'observation.

ANISOTROPE

L'anisotropie est une caractéristique importante de beaucoup de cristaux vis-à-vis de la lumière, en effet, leur structure joue un rôle important dans la façon de dévier cette lumière. De tels cristaux sont caractérisés par deux ou trois indices de réfraction au lieu d'un. Cela implique que tout rayon incident est séparé en deux ou trois rayons. Cela se traduit par l'existence d'un ou deux axes privilégiés dans la structure du cristal.

Dans le cas où un matériau présente deux indices de réfraction, un rayon lumineux sera divisé