DÉCOUVERTE DE LA POLARISATION PAR RÉFLEXION

C'est à Érasme Bartholin qu'il faut remonter pour trouver les premières observations relatives à l'existence de la double réfraction dans le cristal d'Islande, appelé maintenant spath calcaire ou carbonate de chaux rhomboïdal. Huygens s'occupa de ce phénomène et indiqua une construction géométrique très-simple et très-élégante à l'aide de laquelle on trouvait dans toutes les directions et sous toutes les incidences la position du rayon extraordinaire, relativement au rayon dont la marche était déterminée par la loi de Descartes, dite des sinus, rayon qui prit, ajuste titre, le nom de rayon ordinaire.

Huygens parvint à la découverte de sa construction ellipsoïdale en se fondant sur des considérations empruntées à la théorie des ondes, et il en avertit ses lecteurs.

Le rapporteur de l'Académie, sur le Mémoire de Malus du 12 décembre 1808, intitulé : Mémoire sur une propriété de la lumière réfléchie par les corps diaphanes; ce rapporteur, qui n'était rien moins que Laplace, aurait

voulu que Huygens se fût contenté de présenter sa loi comme le fruit de l'expérience. Mais, qu'on me permette de le dire, la haine des théories ne va-t-elle pas trop loin, lorsqu'elle conduit à conseiller la dissimulation ou le manque de sincérité.

Newton voulut substituer à la loi de Huygens d'autres règles qui ne se sont pas trouvées conformes aux faits.

Parmi les observateurs modernes, Wollaston est le premier qui ait établi la vérité des principes donnés par le savant hollandais; il se servit, pour faire cette vérification, de la méthode ingénieuse à l'aide de laquelle il trouvait l'indice de réfraction par l'observation de la réflexion totale. Il paraît qu'en 1808, ces vérifications n'avaient pas semblé suffisantes aux physiciens de l'Académie des Sciences, puisqu'ils proposèrent la question comme sujet de prix aux expérimentateurs. Quoi qu'il en soit, Malus traduisit en formules analytiques la construction de Huygens ; il compara la déviation des rayons extraordinaires, déduite de cette formule, aux nombres résultant d'expériences très-précises , et l'accord fut toujours parfait. Ainsi, la conception géométrique de Huygens se trouva complètement établie, quoique originairement son auteur y eût été conduit par des vues théoriques.

Un rayon de lumière se partage en deux rayons, qui sont exactement de même intensité quelle que soit la position du cristal d'Islande qu'il traverse, et dans lequel la division s'est effectuée ; mais il n'en est pas de même du cas où les rayons sortant d'un premier cristal sont analysés avec un second cristal tout pareil. Si ce second cristal est situé, relativement au premier, de manière que

les faces homologues soient parallèles, le rayon ordinaire n'éprouve en le traversant que la réfraction ordinaire, et le rayon extraordinaire y reste et en sort exclusivement un rayon extraordinaire. La lumière naturelle, en traversant le premier cristal, y a donc changé de nature. En effet, si, en se dédoublant, elle avait conservé ses propriétés primitives, le rayon ordinaire et le rayon extraordinaire se seraient, l'un et l'autre, partagés en deux faisceaux en traversant le second cristal. A la sortie de ce second cristal, on aurait eu quatre images au lieu de deux. La première idée qui vint à l'esprit fut que la lumière naturelle se composait de parties susceptibles , les unes d'éprouver la réfraction ordinaire, les autres, en nombre égal, la réfraction extraordinaire. Mais cette hypothèse fut radicalement renversée par une expérience très-simple.

En faisant faire au second cristal un quart de révolution sur lui-même, sans qu'il cessât de rester parallèle au premier, le rayon ordinaire y devenait extraordinaire, et le rayon extraordinaire n'éprouvait plus cette fois que la réfraction ordinaire.

Le rayon ordinaire et le rayon extraordinaire en sortant du premier cristal étaient donc tout pareils ; il suffisait, pour qu'ils ne pussent pas être distingués l'un de l'autre, de faire tourner de 90° l'un de ces rayons sur luimême ou autour de sa ligne de propagation. Nous voilà donc amenés par des phénomènes de double réfraction à distinguer, dans des rayons lumineux, des côtés doués de propriétés différentes. Nous voilà conduits par l'observation à reconnaître que le rayon extraordinaire sortant d'un cristal d'Islande a les propriétés du rayon ordinaire, alors

seulement qu'on lui a fait faire un quart de tour sur luimême.

Si l'on se rappelle que des rayons lumineux sont si déliés que des milliards peuvent passer par le trou d'une aiguille sans se troubler mutuellement, les esprits réfléchis reconnaîtront tout ce qu'il y a d'admirable, presque d'incompréhensible dans le fait que nous venons de citer et dont la découverte est due à Huygens. Les deux faisceaux de rayons qui, après être sortis simultanément d'un cristal d'Islande, ont des cotés doués de propriétés différentes, s'appellent des rayons polarisés par opposition aux rayons de lumière naturelle, lesquels ont la même propriété tout autour de leur circonférence , puisqu'ils se partagent toujours en deux faisceaux de même intensité, quelle que soit l'orientation du cristal avec lequel on les analyse.

J'ai dit quelle était la position que devait avoir un second cristal pour que les rayons ordinaires et extraordinaires provenant d'un premier cristal y conservassent les mêmes dénominations; dans les positions intermédiaires de ce second cristal , les rayons soit ordinaires, soit extraordinaires, provenant du premier, se partagent généralement en deux , seulement les intensités des faisceaux sont ordinairement très-dissemblables.

Tel était l'état de nos connaissances sur cette branche si délicate et si singulière de l'optique, lorsqu'un jour, dans sa maison de la rue d'Enfer, Malus se prit à examiner avec un cristal doué de la double réfraction, les rayons du Soleil réfléchis par les carreaux de vitre des fenêtres du Luxembourg. Au lieu de deux images intenses

qu'il s'attendait à voir, il n'en aperçut qu'une seule, l'image ordinaire ou l'image extraordinaire, suivant la position qu'occupait le cristal devant son œil. Ce phénomène étrange frappa beaucoup notre ami; il tenta de l'expliquer, à l'aide de modifications particulières que la lumière solaire aurait pu recevoir en traversant l'atmosphère. Mais la nuit étant venue, il fit tomber la lumière d'une bougie sur la surface de l'eau sous l'angle de 3G°, et il constata, en se servant d'un cristal doué de la double réfraction, que la lumière réfléchie était polarisée, comme si elle provenait d'un cristal d'Islande. Une expérience faite avec un miroir de verre sous l'angle de 3*5° lui donna le môme résultat. Dès ce moment, il fut prouvé que la double réfraction n'était pas le seul moyen de polariser la lumière, ou de lui faire perdre la propriété de se partager constamment en deux faisceaux , en traversant le cristal d'Islande. La réflexion sur les corps diaphanes , phénomène de tous les instants et aussi ancien que le monde, avait la même propriété sans qu'aucun homme l'eût jamais soupçonné. Malus ne s'arrêta pas là; il fit tomber simultanément un rayon ordinaire et un rayon extraordinaire, provenant d'un cristal doué de la double réfraction, sur la surface de l'eau, et remarqua que si l'inclinaison était de 36°, ces deux rayons se comportaient très-diversement.

Quand le rayon ordinaire éprouvait une réflexion partielle, le rayon extraordinaire ne se réfléchissait pas du tout, c'est-à-dire traversait le liquide en totalité. Si la position du cristal était telle, relativement au plan dans lequel la réflexion s'opérait, que le rayon extraordinaire

se réfléchît partiellement , c'était le rayon ordinaire qui passait en totalité.

Les phénomènes de réflexion devenaient ainsi un moyen de distinguer les uns des autres les rayons polarisés en divers sens. Dans cette nuit, qui succéda à F observation fortuite de la lumière solaire réfléchie par les fenêtres du Luxembourg, Malus créa Tune des branches les plus remarquables de l'optique moderne et acquit des droits, que personne ne contestera, à une renommée immortelle.

Je dépasserais les limites qui me sont tracées si j'analysais ici toutes les observations que fit notre confrère, en suivant la marche des rayons directs et réfléchis dans lesquels se développent des phénomènes de polarisation. Mais je ne puis me dispenser, pour préparer le lecteur à l'intelligence de faits très-curieux dont Malus enrichit la science, en 1811, de donner la définition d'un terme que je vais avoir l'occasion d'employer : celui de rayon partiellement polarisé.

Un rayon de lumière naturelle donne toujours deux images de même intensité, quelle que soit, relativement à ce rayon , la position de la face du cristal qu'il traverse. Un rayon complètement polarisé ne donne qu'une image dans deux positions particulières de la face de ce cristal. Un rayon partiellement polarisé jouit en quelque sorte de propriétés intermédiaires entre celles du rayon naturel et du rayon complètement polarisé. Gomme le rayon naturel, il donne toujours deux images ; comme avec le rayon polarisé, ces deux images ont des intensités variables avec la position du cristal analyseur.

Les rayons réfléchis sur l'eau, sur le verre, dans les angles qui précèdent ou qui suivent l'angle de polarisation complète, sont partiellement polarisés, et d'autant plus que l'angle de leur inclinaison avec la surface réfléchissante s'approche davantage de 35 ou de 36°.

Malus avait trouvé que les rayons réfléchis par des métaux ne sont pas polarisés, même partiellement; mais c'était une légère erreur, qui a été plus tard rectifiée.

Après ses premières recherches, Malus croyait que la réflexion sur certaines substances diaphanes et opaques était, en dehors de la double réfraction, le seul moyen de polariser la lumière.

A la fin de 1809, ses vues à ce sujet prirent une grande extension: il reconnut en effet, expérimentalement, que la lumière qui passe à travers une lame de verre offre, sous des inclinaisons convenables, des traces évidentes d'une polarisation partielle, et que si l'on forme une pile de lames, le rayon naturel qui la traverse est complètement polarisé à sa sortie.

Il ne manqua pas de remarquer que la polarisation du rayon était dans ce cas inverse de celle dont aurait été affecté, dans les mêmes circonstances, le rayon réfléchi; en sorte que, si celui-ci pouvait être identifié avec le rayon ordinaire provenant d'un cristal placé dans une certaine position , l'autre , ou le faisceau transmis par la pile de lames de verre, ressemblerait au rayon extraordinaire de ce même cristal.

Il ne peut entrer dans notre plan d'indiquer ni les conséquences détaillées et très- curieuses que Malus déduisit de ses expériences, ni les perfectionnements qu'elles

MALUS. tàô

ont reçus. Je me contenterai de dire ici que si jamais on trouve une substance qui seule, sous l'angle de la polarisation complète par voie de réflexion, réfléchisse la moitié de la lumière incidente, le rayon transmis au travers d'une seule lame sera aussi complètement polarisé au lieu de l'être partiellement. On n'aura plus besoin, pour obtenir cette polarisation complète par réfraction, de recourir à une pile de plaques de verre comme dans les expériences de Malus : une seule plaque suffira.

Postérieurement aux expériences de Huygens, sur la double réfraction du cristal d'Islande et du cristal de roche, les minéralogistes reconnurent qu'il existe dans la nature un grand nombre de cristaux doués de la double réfraction ; mais, un cristal étant donné, on ne parvenait à savoir s'il devait être rangé dans la catégorie des cristaux que nous venons de citer, qu'après l'avoir taillé en prisme et essayé d'apercevoir au travers des deux faces artificielles ou naturelles terminales, la double image d'un corps très-délié, telle que la pointe d'une aiguille. En 1811, un membre de cette Académie * montra qu'il était possible de résoudre la question sans s'astreindre à Tépreuve, quelquefois très-difficile, du dédoublement. Il constata ainsi l'existence de la double réfraction dans les lames les plus minces de mica, lesquelles, sous aucun rapport, n'auraient pu se prêter à l'application de la première méthode.

Malus généralisa les résultats obtenus par son ami dans un Mémoire intitulé : Sur l'axe de réfraction des cristaux et des substances organisées, lu à l'Académie le 19 août 181 4.