RECHERCHE D'UN POLARIMÈTRE APPROPRIÉ

L'analyse de la lumière des planètes exige l'emploi d’un polarimètre adapté principalement à l'étude de lumières rectilignes, très faiblement polarisées.

Trois appareils permettent cette étude : le polariscope d’Arago, le photopolarimètre de Cornu et le polariscope de Savart. Nous allons examiner les avantages

ct les inconvénients qu’ils présentent en vue du but que nous nous proposons.

Polariscope d'Arago. — Le polariscope imaginé par Arago est formé d’un prisme à double image que précède une lame de quartz taillée parallèlement à l’axe optique et suffisamment mince pour présenter des couleurs très vives en lumière polarisée. Il peut être adapté facilement devant l'oculaire d’une lunette et il donne, dans ces conditions, deux images de la planète que l'on étudie, teintées de couleurs complémentaires si la lumière de celle-ci est polarisée.

Il se prête aisément aux observations diurnes, car la lumière du ciel donne un fond blanc dans la région centrale du champ, quelle que soit sa polarisation. Lorsqu'on mesure la polarisation d’une planète en la compensant, comme le faisait par exemple Arago, au moyen d’une pile de glaces, la lumière du ciel n’introduit aucune erreur systématique : elle diminue simplement la précision des mesures. | | | | |

La plus petite proportion de lumière polarisée que l’on puisse déceler avec cêt appareil est d’environ 1,2 p. 100 (chiffre indiqué par Arago). Avec des polarisations plus faibles, les couleurs sont trop lavées de blanc pour qu'on puisse les distinguer. Cette limite devient beaucoup plus élevée lorsque l'œil est fatigué et lorsque l’objet que l’on observe n’a pas un éclat et une teinte uniformes.

D'autre part, ce polariscope se prête mal à des mesures précises : lorsqu'on cherche à annuler la polarisation en faisant tourner une pile de glaces, l'instant où les teintes cessent d’être différentes est mal défini et, lorsque la compensation exacte est réalisée, l’œil voit, pendant un instant, les images teintées des couleurs complémentaires de celles qu’il vient d'observer. Ces inconvénients m'ont fait

renoncer à son emploi.

Pholopolarimètre de Cornu. — Cet appareil comporte un diaphragme percé d’une ouverture rectangulaire que l’on éclaire au moyen de la lumière à étudier. Un prisme biréfringent donne deux images contiguës de l'ouverture, dont on peut faire varier les éclats respectifs avec un nicol.

Puisque l’œil permet de différencier deux sources étendues lorsque leurs brillances diffèrent de plus de 1 p. 100, il doit être possible d’égaliser, avec cette précision, les brillances des plages du photopolarimètre de Cornu et de déceler ainsi, avec cet appareil, des proportions de lumière polarisée descendant jusqu’à 1/2 p. 100. |

On peut, en effet, obtenir ce résultat en laboratoire, mais il faut pour cela éliminer avec soin les erreurs systématiques principales qui apparaissent :

1° Lorsque l'œil de l'observateur n’est pas bien centré sur la pupille de lappareil (les deux faisceaux issus du biréfringent, séparés à leur entrée dans l’œil subissent alors des absorptions inégales).

20 Lorsque l'ouverture du polarimètre n’est pas éclairée d’une façon tout à fait uniforme. Dans le cas des planètes, cette dernière condition est à peu près irréa-

lisable dès que les images sont un peu agitées et la sensibilité de l’appareil est très inférieure à sa valeur théorique.

Ces inconvénients, joints à la nécessité d'isoler, au moyen d’un diaphragme, la région que l'on veut étudier, rendent l'appareil de Cornu impropre au but pro-

posé.

Polariscope de Savarl. — Le polariscope de Savart est formé de deux lames de quartz taillées à 45 degrés de l’axe optique. Ces lames sont superposées de manière que leurs sections principales soient rectangulaires et elles sont suivies, soit d’un nicol, soit d’une tourmaline qui sert d analyseur.

Le polariscope de Savart, fixé, comme celui d'Arago, devant l'oculaire d’une lunette, donne des franges rectilignes à l'infini qui paraissent se former sur la planète.

Ilest plus sensible : si l’on fait croître la proportion de lumière polarisée, les franges apparaissent dès que cette proportion atteint 1 p. 100 et leur visibilité augmente rapidement.

Cette dernière propriété permet, comme nous le verrons un peu plus loin, de

réaliser un polarimètre très sensible.

NOUVEAU POLARISCOPE

Après avoir fixé mon choix sur un polariscope du genre Savart, j'ai d’abord cherché à perfectionner cet appareil en m’aidant des considérations suivantes :

Pour que la visibilité des franges sur une source telle qu’une planète atteigne sa valeur maximum, 1l faut que l’on puisse observer simultanément au moins trois ou quatre franges. Celles-ci doivent, par conséquent, être fines sans que leur écartement descende cependant au-dessous de 6 à 8 minutes.

Il faut, de plus, que l’image de la source, sur laquelle se forment les franges, ait une brillance apparente suffisante, au moins égale à quelques millièmes de bougie par centimètre carré (1). Le polariscope doit donc être aussi lumineux que possible, afin de permettre l'emploi de forts grossissements et l'étude de petites parties de la surface d’une planète. |

Ces remarques m'ont conduit à réaliser l'appareil que je décris ci-dessous.

Principe. — Cet appareil est constitué par deux lames de spath identiques, taillées parallèlement à un plan de clivage et dont les sections principales sont croisées. Il possède, comme analyseur, un prisme biréfringent spath-verre dont la section principale est bissectrice de celles des lames.

() M, L, Santon est arrivé à des conclusions analogues, — Diplôme d’études supérieures, 1928.

Lorsqu'on examine à travers un tel ensemble une source de lumière polarisée dans un plan bissecteur des sections principales des lames, l image ordinaire et l'image extraordinaire, données par le biréfringent, contiennent chacune un système de franges ; l'un d'eux est à centre blane, l'autre est à centre noir.

Le prisme est taillé de telle manière que son arête soit parallèle aux franges et son angle est tel qu’il produise un dédoublement égal à la moitié de leur intervalle en lumière jaune.

Les deux systèmes de franges sont ainsi confondus avec coïncidence de leurs

maxima et de leurs minima de lumière.

Avantages. — Ge dispositif présente les avantages suivants :

Il laisse passer toute la lumière et donne des images deux fois plus brillantes que le polariscope de Savart muni d’un nicol, tout en possédant un champ aussi étendu que cet appareil muni d’une tourmaline,

Construit en spath, il donne des franges très fines sans que son épaisseur totale dépasse quelques millimètres. On peut ainsi placer l’œil très près de la pupille de la lunette et voir tout le champ de l’oculaire.

La visibilité des franges est peu affectée par les inégalités d'éclat des différentes parties de la planète : en effet, supposons, par exemple, qu’une frange brillante se projette sur quelques taches claires qui renforcent son éclat : grâce au biréfringent, cette action est compensée par la présence d’une seconde image de ces taches sur l’une des deux franges sombres adjacentes.

Enfin, l’aspect des franges n’est pas sensiblement modifié lorsqu'on fait tourner de 90 degrés le plan de polarisation de la lumière incidente ; le nouveau système est symétrique du premier. Cette circonstance est également favorable au

but qu'il faut atteindre.

Construction. — J'ai construit trois polariscopes d’après ce principe. Celui qui convient le mieux à l’étude des planètes et qui a été utilisé presque exclusivement à cet effet, possède les caractéristiques suivantes :

Epaisseur de chacune des deux lames de spath : 1mm,4,

Ecartement des franges en lumière jaune vers la normale aux lames : 10”.

Dédoublement du prisme biréfringent : 510"; grâce à la faible valeur de cet angle, les deux images de la source sont presque entièrement confondues, même lorsqu'on examine les plages les plus petites, car on ne peut faire de mesures sur des détails couvrant moins de deux à trois franges.

Le prisme biréfringent est formé d’un prisme de spath de 56’ d’angle, achromatisé par du verre. Il est taillé dans une lame obtenue par clivage. Son axe optique, qui fait avec les faces des angles voisins de 45 degrés, est orienté de manière que la séparation des images croisse d’un bord du champ à l’autre, en même temps

que l’écartement des franges. Grâce à cet artifice, d’ailleurs tout à fait accessoire,

les franges conservent leur netteté maximum jusqu'aux extrémités du champ (1).

NOUVEAU POLARIMÈTRE

Malgré ses avantages qui facilitent beaucoup les observations et qui accroissent un peu leur précision, le polariscope que je viens de décrire aurait, s’il était employé seul, une sensibilité souvent insuffisante. En effet, les franges qu’il donne cessent d’être visibles avec certitude lorsque la DRAP de lumière polarisée devient inférieure à 1 p. 100.

J'ai pu étudier des polarisations beaucoup plus faibles en lui adjoignant un polarimètre dont je donnerai plus loin la description détaillée.

Principe. — Le principe de ce polarimètre consiste à polariser légèrement les rayons lumineux qui tombent sur le polariscope, alternativement dans un plan tantôt parallèle, tantôt normal à la section principale de son analyseur. Grâce à cet artifice, les franges deviennent visibles, ce qui permet de poursuivre les observations. |

Supposons que la lumière étudiée soit parfaitement naturelle ou polarisée à 45 degrés de cette section principale : les franges gardent constamment la même intensité.

Supposons, au contraire, qu’elle possède une très légère polarisation parallèle ou normale à la section principale de l’analyseur : cette polarisation, trop faible pour produire à elle seule un effet observable, s’ajoute à celle qui est créée artificiellement ou s’en retranche et révèle son existence en renforçant et en affaiblissant tour à tour l'intensité des franges.

Cette méthode consiste donc à apprécier l'égalité ou l'inégalité de deux faibles

contrastes.

Sensibilité. — Il est évident qu'on peut déceler, par ce moyen, des proportions de lumière polarisée très inférieures à 1 p. 100. Supposons, pour fixer les idées, que la proportion contenue dans la lumière

étudiée soit de 3 millièmes.

() Je dois ajouter qu’en mai 1927, M. Fabry m’a obligeamment prêté un polariscope de construction assez ancienne qu’il a retrouvé au laboratoire de la Faculté des Sciences.

I est formé de deux lames de Savart en quartz et d’un prisme de Wollaston en quartz servant d’analyseur. L’écartement des franges est de 30’ et la séparation du prisme est de 45’, soit une fois et demie cette valeur. Ses franges les plus sombres sont violacées au lieu d’être noires.

Je n’ai pu ni découvrir l’auteur, ni trouver aucune description de cet appareil. J’ignorais complètement son existence lorsque j’ai exécuté mes travaux.

nn —

Ajoutons-lui une proportion de g millièmes, par exemple, nous obtenons sensiblement 12 millièmes et les franges sont facilement visibles.

Retranchons, au contraire, ces deux proportions : il reste 6 millièmes et les franges deviennent totalement invisibles.

On conçoit que des polarisations très inférieures à trois millièmes puissent encore faire varier l'intensité des franges d’une manière appréciable,

Construction. — Voici comment a été réalisé le polarimètre dont le principe

SF

vient d’être énoncé et avec lequel j'ai effectué toutes les observations exposées

dans cet ouvrage.

Il se compose d’un tube A (fig. 1) portant à son extrémité l’oculaire O de la

lunette astronomique, recouvert du polariscope à franges P qui vient d'être décrit.

Le tube A coulisse dans un tube B fixé à la lunette, afin de permettre la mise au point ; il peut également tourner autour de son axe qui est confondu avec

hi l’axe optique de l'instrument, sa position étant repérée par une graduation en degrés C.

Il contient, en outre, deux lames de celluloïd planes L, et L, (1). La première peut tourner autour de l’axe DE ; l'angle de sa normale avec l’axe de la lunette est donné par l'aiguille F, mobile sur le secteur G, gradué de o à 65°.

La seconde lame est mobile autour de l'axe HI porté par un troisième tube J qui peut tourner à l'intérieur du premier. Cette rotation s'obtient en poussant du doigt la tige K. Celle-ci traverse une fente M découpée dans le tube A et ajustée de manière que le tube J tourne d’un quart de tour seulement, l'axe HI étant, dans ses positions extrêmes, parallèle ou normal à l’axe DE. Le bouton N, porté par l’axe HI, permet d’incliner à volonté la lame L, ou de l’arrêter dans un plan normal à l’axe de la lunette, grâce à une butée convenablement placée.

Le polariscope est contenu dans une bonnette vissée sur l’oculaire O et portant à sa périphérie des encoches dans lesquelles se loge le ressort R, pourl immobiliser

dans une position telle que le plan des franges soit parallèle ou normal à l’axe DE

de la lame L,..

Fonclionnement. — Admettons, par exemple, que l’on ait à étudier la lumière d’une planète, supposée partiellement polarisée rectiligne; les opérations à effectuer sont les suivantes : |

Rendre la lame L, normale à l’axe de la lunette. Pointer la lunette sur la planète et agir sur le tube À pour amener l’image au centre du champ de l’oculaire et à l’infini. Faire apparaître les franges du polariscope sur la planète en donnant à la lame L, une inclinaison suffisante. Faire tourner enfin le tube J dans les deux sens, de manière que la lame L,, vienne occuper alternativement ses deux

(:) Au cours de mes premières mesures, ces lames étaient constituées par des glaces à faces parallèles en verre de un millimètre d’épaisseur. Elles présentaient l'inconvénient de donner naissance à des images parasites formées par les rayons deux fois réfléchis sur leurs faces. Ces images étaient confondues avec l’image principale lorsque les lames étaient sensiblement normales au faisceau ; elles s’en écartaient au contraire lorsqu’on augmentait l'incidence. Les polarisations trouvées dans

les deux cas n’étaient pas les mêmes et différaient d’environ — de leur valeur. Pour éviter cet inconvénient, j’ai remplacé les lames de verre par des feuilles de celluloïd mesut "de millimètre d’épai i rant de millim tre d'épaisseur, obtenues par évaporation d’une solution de celluloïd dans l’acé-

tate d’amyle sur une glace plane et horizontale. Ces feuilles sont ensuite tendues en collant GES d’elles sur un cadre bien plan constitué par une glace plane perforée d’un large trou.

Même sous des incidences très obliques, une lame ainsi préparée ne donne qu’une image, soit par réflexion, soit par transmission. Elle n’absorbe pas sensiblement la lumière. Elle paraît parfaitement isotrope, bien qu’en réalité elle se comporte comme un cristal uniaxe négatif dont l’axe optique serait normal à son plan. Sous l'incidence de 6o°, la biréfringence est voisine de o,o12 longueurs d’onde jaune. Cette faible biréfringence ne gène aucunement les mesures.

ts de

positions rectangulaires. Les franges ne conservent alors une visibilité constante

que si la lumière est naturelle ou si elle est polarisée à 45 degrés de leur direction.

Délerminalion du plan de Folarisalion. — Pour déterminer le plan de polarisation, il suffit d'orienter le tube À de manière que l'intensité des franges soit la même pour les deux positions de la lame L,, puis de le faire tourner de 45 degrés, dans un sens tel que les franges aient leur visibilité minimum lorsque les axes des deux lames sont parallèles. Le plan de polarisation cherché est alors perpendiculaire à l'axe de la lame L,. Sa direction est donnée par le cercle C.

Mesure de la proporlion de lumière polarisée. — Pour mesurer la proportion de lumière polarisée, il suffit de laisser le tube A dans la position qu'il occupe, puis d’incliner la lame L, jusqu’à ce que des rotations d’un quart de tour du tube J ne modifient plus l'intensité des franges. L'angle d'incidence, lu sur le secteur G, donne la proportion de lumière polarisée au moyen d’une table que l’on peut calculer avec les formules de Fresnel (nous ferons ce calcul plus loin). Lorsqu'on connaît a priori quelle doit être la direction du plan de polarisation, on peut se contenter de mesurer la proportion de lumière polarisée en orientant convenablement l'appareil au moyen du cercle C.

Aulre méthode donnant simullanément ces deux quanlilés. — La méthode suivante permet de mesurer simultanément l’angle de position du plan de polarisation et la proportion de lumière polarisée. Elle consiste à compenser la polarisation que l’on veut étudier, en orientant le polarimètre successivement dans deux directions qui diffèrent de 45 degrés.

Soit P la proportion de lumière polarisée cherchée ;

« et 6 les angles que fait le plan de polarisation avec les deux directions choisies.

L'inclination de la lame compensatrice donne, dans le premier cas, une polarisation :

(1) P, —P cos 2x dans le second cas, une polarisation :

(2) Pat Bicos 26e Pesin 2x On tire de là :

PA PRE PS ets: