II. 4â

1er l'expérience d'Huygens, Il est clair qu'on n'obtiendra jamais que deux images, celles qui proviennent du rayon émergent, c'est-à-dire du rayon extraordinaire polarisé par le premier prisme. Si les sections principales des deux prismes sont parallèles, l'une des deux images, l'ordinaire, est nulle ; l'autre, l'extraordinaire, a son maximum d'éclat; si les sections principales sont à angle droit, toutes les deux disparaissent, puisque l'image ordinaire, qui devrait avoir une intensité maximimi, subit la réflexion totale, et que l'image extraordinaire a une intensité nulle. Le premier prisme, celui qui reçoit le rayon de lumière naturelle, est te ntcol polariseur, l'autre est le nieol analyseur.

Cette propriété du prisme de Nicol de ne laisser passer que le rayon extraordinaire appartient aussi à un cristal naturel, la tourmaline, qui, sous une certaine épaisseur, absorbe fortement le rayon ordinaire. C'esl Biol qui a découvert, en 1815,

Fig> ISfS. — Echantillon de tourmaline . , ,

de Sibérie. cette propriété remarquable :

elle va nous permettre de donner, d'après J. Herschcl, un nouvel exemple de la polarisalion de la lumière par double réfraction. « Quand, à l'aide d'une roue de lapidaire, on a clivé un prisme de tourmaline en lames parallèles à l'axe, et d'une épaisseur uniforme d'environ un vingtième de pouce (1"'",27), on donne à ces lames le poli convenable. Alors les objets lumineux paraissent au travers comme si on les regardait avec un verre coloré. Concevons une de ces lames interposée perpendiculairement entre l'œil et une chandelle : celle-ci sera vue avec une égale facilité dans toutes les positions de l'a.'ye de la lame à l'égard de l'horizon. Si l'on fait tourner la lame dans son propre plan, on ne remarque aucuu changement dans l'image de la chandelle. Donnant alors à cette pi"e-

mière lame une position fixe (en plaçant son aXe verticalement par exemple), on interposera entre elle et Tœil une seconde lame qu'on fera tourner lentement dans son propre plan; ce qui produira un phénomène très curieux. La chandelle deviendra successivement visible et invisible à chaque qUatt de révolution de la lame, en passant par tous les degrés de clarté, depuis un certain maximum jusqu'à une obscurité totale ou presque totale; après quoi la clarté augmentera de là 'même' manière qu'elle aura décru. Or, si l'on fait attention à la position de la seconde lame par rapport à la première, on trouvera que les maxima de clarté ont lieu lorsque les axes sont parallèles, c'est-à-dire lorsqu'ils sont disposés comme ils l'étaient ordinairement dans le cristal, ou lorsque leurs positions diffèrent de 180\ Les minima ont lieu, au contraire, lorsque les axés se croisent exactement à angles droits. Dans cette dernière' situation, la lumière est totalement arrêtée si la tourmaline est d'une bonne couleur, et quoique chaque lame eh particulier soit d'une transparence parfaite, leur combinaison est tout à fait opaque. » (Herschel, la Lumière.)

Ainsi, comme on voit, le faisceau de lumière naturelle qui a' traversé une première lame de tourmaline se trouve polarisé, comme celui qui émerge d'un cristal de spath d'Islande. Il n'a plus sur tous ses côtés, sur toutes ses faces, si l'on peut s'exprimer ainsi, les mêmes propriétés, du moins au point dé vue de son éclat. Nous allons voir maintenant que la double réfraction n'est pas le seul moyen de transformer la lumière naturelle en lumière polarisée.

§ 2. POLARISATION PAR RKFLEXIOK.

En 4808, Malus, physicien français, qui s'est illustré par ses beaux travaux sur l'optique, regardant par hasard, à travers un cristal de spath d'Islande, l'image du soleil couchant réfléchie par les vitres du palais du Luxembourg, remarqua

avec surprise qu'en faisant tourner le prisme, les deux images changeaient d'intensité : la plus réfractée était alternativemeiil plus ou moins brillante que l'aulre, à chaque quart de révolution. En analysant minutieusement ce phénomène, il découvrit que la réflexion sous certains angles suffit pour donner au rayon lumineux les mêmes propriétés que possède un rayon qui a traversé un cristal biréfringent tel que le spath d'Islande. L'expérience de Huygens, dont Huygens et Newton avaient essayé en vain de donner la théorie, ne fut plus un phénomène isolé, et c'est en s'effbrçant de la rattacher à une même explication déduite de la théorie de Newton, que Malus fut conduit à donner le nom de polarisation de la lumière à la modification subie par les rayons lumineux dans les expériences rapportées plus haut. Trois ans plus tard, en 181 1, Malus, Biot et Brewster découvraient séparément la polarisation par réfraction simple, et Arago la polarisation chromatique; et depuis, une multitude de faits nouveaux, se rattachant à des modifications singulières des rayons lumineux, vinrent concourir, avec les phénomènes dont nous venons de parler, à former une des plus intéressantes branches de la science, aussi féconde pour la théorie que pour ses applications pratiques. Comme les bornes et la nature élémentaire de cet ouvrage ne nous permettent pas d'entrer dans de longs détails, nous nous contenterons de décrire quelquesuns des plus remarquables parmi ces phénomènes.

Quand un faisceau de lumière naturelle tombe obliquement sur un miroir non métallique, de verre noir, de marbre, d'obsidienne, il acquiert, par la réflexicn à la surface, les mêmes propriétés que s'il eût été traversé par un cristal doué de la double réfraction : il est jwlansé.

On pose sur une table, devant une fenêtre ouverte, une plaque de verre noir, puis on se place de manière à recevoir obliquement, sous une inclinaison d'environ 55% la lumière des nuées réfléchie par la plaque. L'éclat du miroir parait alors uniforme. ISi, sans changer alors de position, on observe la surface brilante à travers une lame de tourmaline, taillée parallèlement à

son axe optique, et si l'on fait tourner celle lame dans son propre plan, on remarque, dans Téclal de l'image des nuées formées sur la plaque de verre, les variations suivantes : si Taxe de la tourmaline est dans un plan vertical, l'image brillante disparaît; la plaque de verre semble couverte d'une sorte de nuage obscur, et le centre de la tache est entièrement noir. Quand cet axe est, au contraire, horizonlal, c'est-à-dire parallèle à la plaque de verre, la tache disparaît complètement; enfin, dans les positions intermédiaires de l'axe de la tourmaline, l'éclat de l'image va graduellement en s'éclaircissant de la première situation à la seconde.

Si l'analyseur, au lieu d'être une lame de tourmaline, est un prisme de Nicol, les variations d'éclat de l'image se succéderont de la même manière : le minimum aura lieu quand la section principale du prisme sera verticale, et le maximum quand cette section sera à angle droit avec la jiremière de ses positions.

De ces deux expériences on tire la conclusion qu'un faisceau lumineux, tombant sous une inclinaison de 55^25' (ou, ce qui est la même chose, sous une incidence de 54^55'), sur une plaque de verre noir, est, après sa réflexion, polarisé dans le plan même de cette réflexion. Cet angle de 54M5' est ce qu'on nomme l'angle de polarisation du verre : c'est celui pour lequel le rayon réfléchi peut être complètement éteint par le polariscope analyseur : c'est ce qu'on exprime en disant que le rayon est complètement polarisé. Quand l'angle d'incidence a une autre valeur, l'image du faisceau n'est pas complètement éteinte : le rayon réfléchi est partiellement polarisé.

L'angle de polarisation varie avec les substances réfléchissantes. Ainsi, il est de 52^45' pour l'eau, de 56\T pour l'obsidienne, de 58^*40' pour la topaze, de 68° 2' pour le diamant. Brewster a imaginé une très curieuse expérience pour mettre en évidence la différence que nous signalons entre les angles de polarisation de deux substances, du verre et de l'eau par exemple. Il dispose une plaque de verre de façon qu'elle re-

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La figure 199 représente l'appareil de Malus, modifié et perfectionné par Biot. I est la plaque polie destinée à polariser le rayon de lumière SI, par sa réflexion sur la surface de la plaque ; on voit ensuite un tube noirci au dedans, muni de diaphragmes, et suivant l'axe duquel passe le rayon réfléchi et polarisé II'.... En sortant du tube, le rayon tombe sur une plaque V en verre noir, s'y réfléchit de nouveau, et va, soit tomber dans l'œil, soit former une image sur un écran E. Les cadres qui maintiennent les deux plaques réfléchissantes peuvent tourner autour d'un axe perpendiculaire à celui du tube, de maniera que leurs plans puissent faire avec ce dernier tous les angles possibles ; de plus, on peut faire tourner chaque plaque dans une de ses positions, autour de l'axe même du tube ; de sorte qu'en définitive, pour une incidence donnée du rayon lumineux Sur la première plaque, on peut faire varier à volonté et l'angle d'incidence du rayon polarisé sur l'autre plaque, et l'angle du second plan de réflexion avec le premier.

On trouve, à l'aide de cet appareil, que le maximum d'éclat de l'image a lieu quand les deux plans de réflexion coïncident, et le minimum quand ces deux plans sont à angle droit. De plus, le rayon est complètement éteint quand l'angle d'incidence sur chacun des deux miroirs est de 55^25', pourvu toutefois que le faisceau n'ait pas une intensité trop vive, comme dans le cas où c'est de la lumière solaire.

Brewster a découvert une loi fort simple, qui existe entre l'angle de polarisation et l'indice de réfraction de la substance polarisant la lumière par réflexion, de sorte que, l'un de ces éléments étant connu, on peut en déduire l'autre. Celte loi est l'expression de la relation géométrique suivante : Le rayon irfléchilR (fig. 200), polarisé sons Vangle de polamation, et le rayon réfracté Ir forment un angle droit.

La réfraction simple polarise aussi la lumière. C'est ce que Malus, Biot et Brewster ont découvert, chacun de leur côté, en

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§ 3. COULEURS DE LA LIMIKRE POLAHlSÉi:.

c( Eu examinanl, par un temps serein, une lame assez mince de mica, à l'aide d'un prisme de spath d'Islande, je vis que les deux images qui se projetaient sur Talmosphère n'étaient pas leinles des mêmes couleurs : l'une d'elles était jaune- verdàlre, la seconde rouge-pourpre, tandis que la partie où les deux images se confondaient était de la couleur du mica vu a l'œil nu. Je reconnus en même temps qu'un léger changement dans rinclinaison de la lame par rapport aux rayons qui la Iravtrseut, fait varier la couleur des deux images, et que si, en laissant celte inclinaison constante et le prisme dans la même position, on se contente de faire tourner la lame de mica dans son propre plan, on trouve quatre positions à angle droit où les deux images prismatiques sont du même éclat et parfaitemenl blanches. En laissant la lame immobile, et faisant tourner le prisme, on voyait de même chaque image acquérir successivement diverses couleurs et passer par le blanc après chaque quart de révolution. Au reste, pour toutes ces positions du prisme et de la lame, quelle que fût la couleur d'un des faisceaux, le second présentait toujours la teinte complémentaire, en sorte que, dans les points où les deux images n'étaient point séparées par la double réfraction du cristal, le mélange de ces deux couleurs formait du blanc. »

C'est en ces termes qu'Arago décrit, dans un Mémoire lu à TAcadémie des sciences le 11 août 1811, l'expérience qui fut pour lui le point de départ d'une série de découvertes sur les phénomènes de coloration de la lumière polarisée. Il reconnut immédiatement que la lumière transmise par la lame de mica était de la lumière polarisée par réflexion sur les couches atmosphériques ; par un temps couvert, quand la lumière qui vient des nuées a les caractères de la lumière naturelle, les deux images vues à travers la lame de mica n'offrent aucune trace de