CHAPITRE II

Phénomènes généraux de la polarisation.

Go8. Polarisation par réflexion. Lorsqu’un pinceau de lumière a été réfléchi sur une plaque de verre en faisant avec la surface un angle de 55° 20', on dit qu’il est polarisé , parce qu’il présente alors des propriétés singulières que l’on n’observe jamais dans la lumière naturelle. Parmi ces propriétés, nous indiquerons seulement ici les trois suivantes, qui sont caractéristiques.

i° Il ne donne qu'une seule image en passant au travers d’un prisme biréfringent, quand la section principale de ce prisme (6o5) est parallèle ou perpendiculaire au plan de réflexion ; tandis qu’il donne deux images plus ou moins intenses dans toutes les autres positions.

2° Il n’éprouve aucune réflexion en tombant sur une seconde lame de verre, sous le même angle de 35° 25', quand le plan d’incidence sur cette seconde lame est perpendiculaire au plan d’incidence sur la première, tandis qu’il se réfléchit partiellement dans d’autres plans et sous d’autres incidences.

3° 11 est incapable de se transmettre perpendiculairement au travers d’une plaque de tourmaline dont l’axe est parallèle au plan de réflexion , tandis qu’il se transmet avec une intensité croissante à mesure que l’axe de la tourmaline approche d’être perpendiculaire au plan de réflexion.

Pour démontrer ces vérités par l’expérience, on peut employer l’appareil qui est représenté dans les figures 3i4, 3i5, 3i6 et 317.

Fig. 3 1 4 • tt'. Tube de cuivre semblable à un tuyau de lunette ; il est porté sur un pied.

dd' Diaphragme dans l’intérieur du tube. gg\ Réflecteur en verre; il est en verre noir pour éviter la réflexion à la seconde surface; il peut être fixe ou mobile ; dans le premier cas on l’arrête dans une position telle que l’axe du tube fasse avec lui un angle de 35° s5'.

Fig.3i5. nn'. Anneau qui peut entrer à frottement doux sur l’ extrémité du tube précédent, et tourner librement de droite à gauche ou de gauche à droite ; cet anneau est attaché à la monture du prisme pp'.

pp'. Prisme achromatique doué delà double réfraction; il est composé d’un prisme de spath. d’Islande ou de cristal de roche, et d’un prisme de verre qui sert à l’achromaliser.

Fig. 3i6. un'. Anneau semblable au précédent ; il porte deux traverses r,r', terminées par des pivots a et a', autour desquels la glace ff' est mobile.

Fig. 3iy. nh'. Anneau semblable au précédent, il porte la monture d’une plaque de verre vv' à faces parallèles , et sur cette plaque se trouve collée la plaque mm' de tourmaline dont les deux faces sont parallèles à l’axe.

Le tube tt' ( Fig. 3 1 4 ) étant disposé convenablement pour que la lumière du ciel ou la lumière blanche des nuées tombe sur le réflecteur gg', il est évident, d’après ce que nous avons dit, que le faisceau réfléchi suivant l’axe du tube fait un angle de 35" a5' avec la surface réfléchissante ; pour observer ce faisceau on adapte l’anneau nn’ (Fig. 3 1 5) à l’ extrémité du tube, et l’on regarde au travers du prisme achromatique pp', l’image du diaphragme nu'. Cette image pourra d’abord paraître double, comme si la lumière qui la donne n’avait pas été réfléchie et n’était pas polarisée; mais en faisant tourner l’anneau un', et par conséquent le prisme, on trouvera quatre positions rectangulaires pour lesquelles l image du diaphragme cessera de paraître

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double , et il sera facile de constater que ce phénomène a lieu quand la section principale du prisme est parallèle et perpendiculaire au plan de la réflexion qui s’opère sur le réflecteur cg'.

Pour définir ces positions avec plus d’exactitude, l’extrémité ss' du tube est divisée sur sa circonférence en 36o°, et chacun des anneaux qui s’adapte au tube, et qui s’arrête contre cette extrémité, porte un repère au moyen duquel on peut compter les angles.

La seconde propriété du faisceau polarisé se démontre aussi facilement que la première : on enlève l’anneau de la figure 3 1 5, et on y substitue celui de la figure 3i6. Alors on donne au réflecteur ff', qu’il porte une inclinaison telle que le faisceau réfléchi le rencontre en faisant avec sa surface un angle de 35° 2 5', et l’on place l’œil dans une position convenable pour voir l’image du diaphragme dd' réfléchie sur ff' ; ensuite on fait lentement tourner l’anneau wn' sans changer l’inclinaison de la glace , et l’on arrive bientôt à une position dans laquelle l’image réfléchie est complètement éteinte; en lisant la division correspondante au repère, il est facile de constater que le plan de réflexion sur la seconde glace est perpendiculaire au plan de réflexion sur la première.

Enfin, pour démontrer la troisième propriété, c’est la plaque de tourmaline (Fig. 3 1 y) qu’il faut adapter à l’extrémité du tube tt‘ (Fi'#.3i4). On observe encore l’image du diaphragme dd* , et en faisant tourner l’anneau dans un sens ou dans l’autre, on voit cette image s’affaiblir graduellement pour disparaître tout-à-fait ; à cet instant l’axe de la tourmaline est parallèle au plan de réflexion sur le premier réflecteur gg' .

Les phénomènes qui se développent par réflexion sur le verre, se développent aussi suivant certaines lois sur toutes les surfaces réfléchissantes, comme nous le verrons plus loin,

Telles sont les propriétés caractéristiques des rayons polarisés : l’une quelconque de ces trois propriétés entraîne essentiellement les deux autres. Ainsi, pour reconnaître si un rayon est polarisé , nous pourrons nous contenter désormais de l'observer avec la plaque de tourmaline, ou avec le prisme biréfringent.

On est convenu d’appeler plan de polarisation le plan suivant lequel a été réfléchie la lumière qui se trouve polarisée par réflexion; mais comme on pourrait avoir à étudier un rayon polarisé dont on ne connaîtrait pas l’origine, il a été nécessaire, tout en conservant cette définition, d’en faire une autre équivalente, ou plutôt d’indiquer un autre caractère pour reconnaître le plan de polarisation; et la plaque de tourmaline est très-commode pour cet usage : quand un rayon s’éteint en traversant la tourmaline , son plan de polarisation est parallèle à l’axe de la plaque; quand, au contraire, un rayon a son maximum d’intensité en traversant la tourmaline , son plan de polarisation est perpendiculaire à l’axe de la plaque.

Les expériences que nous venons de faire avec la lumière des nuées peuvent être faites avec une lumière quelconque artificielle ou naturelle ; il est même possible alors de rendre les phénomènes sensibles à plusieurs observateurs à la fois. Pour cela on adapte au tube tt/ de la figure 3 1 4 une tige à charnière portant un verre dépoli qui peut être dirigé convenablement pour recevoir les images transmises, soit par le prisme, soit par la seconde glace, soit par la plaque de tourmaline; seulement, quand les images ont un très-vif éclat, elles ne disparaissent jamais d’une manière aussi complète.

La découverte de la polarisation , dont nous venons de donner une première idée, a été faite par Malus en 1810; jusque là personne n’avait soupçonné que la réflexion put imprimer à la lumière des caractères particuliers. S’il suffisait d’une prodigieuse sagacité pour découvrir et

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analyser des propriétés si nouvelles et si extraordinaires, il fallait certainement un génie bien pénétrant pour développer ces propriétés, comme le fît Malus, et pour montrer aux physiciens qu’elles ouvraient en optique une carrière immense par son étendue et par sa richesse.

A l’époque de cette découverte , le système de l’émission était complètement dominant 5 on ne voyait en optique que des molécules lumineuses douées de divers accès et de diverses propriétés ; toutes ces molécules éprouvant simultanément les memes effets lorsqu’elles avaient été réfléchies sur le verre sous un certain angle, on supposait qu’elles étaient toutes tournées de la même manière, et qu’en conséquence elles avaient des axes de rotation et des pôles autour desquels leurs mouvemens pouvaient s’accomplir sous certaines influences. De là, le mot de polarisation , qui indiquait que les pôles étaient dirigés ou arrangés de la même manière pour toutes les molécules.

609. Polarisation par simple réfraction. La lumière na- ■ turelle se polarise en traversant sous certaines conditions une série de plaques de verre à faces parallèles , et sou plan de polarisation est alors perpendiculaire au plan d 'émergence. Pour le démontrer on dispose parallèlement entre elles quatre ou cinq plaques de glace (Fig. 3 18) 5 c’est ce qu’on appelle une pile de plaques ; et on les ajuste à l’extrémité d’un tube en cuivre semblable à celui de la figure 3i4 : la pile de plaques remplace alors le réflecteur gg' : et si l’on soumet à l’épreuve le pinceau transmis par cet appareil, en l’observant par l’un des trois moyens indiqués précédemment, il est facile de reconnaître qu’il est polarisé quand il pénètre dans les glaces en faisant avec leurs surfaces un angle de 35° 2Ô'-, et comme il a son maximum d’intensité quand l’axe de la tourmaline est parallèle au plan d’émergence, on en conclut que le plan de polarisatioü est perpendiculaire à ce plan. Si la lu-

mièreest très-vive, elle n’est pas complètement polarisée, et il faut alors employer dans la pile un plus grand nombre de glaces.

Les autres corps transparens et non cristallisés présentent des phénomènes analogues \ seulement, pour obtenir le maximum de polarisation, il faut que l’incidence varie avec la nature de la substance.

610. Polarisation par double réfraction. Les deux faisceaux ordinaire et extraordinaire que donne la lumière naturelle en traversant la section principale d’un cristal sont l’un et l’autre polarisés , le premier dans le plan d’émergence , et le second perpendiculairement à ce plan.

On en peut faire l’expérience en prenant un rhomboïde de spath d’Islande ou un prisme biréfringent que l’on ajuste à l’extrémité d’un tube semblable à celui de la figure 3 14- RR'1 ( Fig . 3 19) représente le rhomboïde , et bd un diaphragme percé d’une très-petite ouverture. En regardant à l’œil nu par l’autre extrémité du tube, on voit deux images de l’ouverture du diaphragme 5 mais en regardant au travers de la plaque de tourmaline successivement chacune de ces images , on reconnaît facilement que l’image ordinaire ( celle qui est dans l’axe et non déviée) acquiert sou maximum d’intensité quand l’axe de la tourmaline est perpendiculaire à la section principale du rhomboïde, et qu’elle s’éteint, au contraire , quand l’axe de la tourmaline est dans la section principale elle-même: l’image extraordinaire (celle qui est hors de l’axe et déviée) présente des phénomènes exactement inverses.

Celte épreuve devient un moyen sûr et commode de distinguer entre elles l’image ordinaire et l’image extraordinaire.

61 1. Polarisation par réflexion irrégulière. Lorsqu’une surface quelconque est éclairée par une vive lumière, les rayons irrégulièrement réfléchis quelle renvoie

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dans tous les sens se trouvent partiellement polarisés dans un plan perpendiculaire au plan d’émergence. Pour s’en assurer, il suffit de faire tomber dans la chambre noire un trait de lumière solaire sur une surface plus ou moins polie, et de regarder cette surface avec une plaque de tourmaline que l’on fait tourner dans son plan pour rendre l’axe tantôt parallèle, tantôt perpendiculaire au plan d’émergence des rayons ; dans le premier cas l’éclat de la surface sera très-sensiblement plus vif que dans le second; ce qui prouve que la lumière est polarisée, comme nous l’avons dit, mais quelle n’est polarisée qu’en partie,

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