La découverte et l'étude de la polarisation
Rasmus Bartholin (1625-1698) publie en 1669 ses observations des propriétés optiques du Spath d'Islande. Il avait remarqué qu'un rayon réfracté par un tel cristal produisait deux rayons, un rayon « ordinaire » et un rayon « extraordinaire ». Les deux rayons ayant des propriétés différentes : c'est la découverte de la biréfringence. Christian Huygens (1629-1695) étudiera aussi la double réfringence des cristaux de spath, et observera que l'intensité de la lumière transmise par deux cristaux dépend de l'orientation de ces derniers. Il y a donc une asymétrie autour de la direction de propagation : ce sont les bases de la polarisation.
François Arago (1786-1853) s'intéressera lui à la polarisation du ciel. Dans la même période, Étienne-Louis Malus (1775-1812) publie en 1809 des travaux sur la polarisation de la lumière par réflexion : il avait observé que la lumière du Soleil couchant observée après réflexion puis à travers un cristal biréfringent changeait d'intensité avec la rotation du cristal. En 1810, il publie ses travaux sur la biréfringence, qui lui valent le prix de l'Académie des Sciences. Il est le premier à employer le terme de « polarisation ».
Dans la lignée des observations de Malus, David Brewster (1781-1868) établit en 1815 les lois de la polarisation par réflexion, avec notamment l'angle qui porte son nom : l'angle de Brewster.
Augustin Fresnel (1778-1827) observera que les faisceaux ordinaires et extraordinaires produits par biréfringence ne peuvent pas produire d'interférences (car de différentes polarisations), ce qui lui permettra d'établir que la lumière est une onde transverse, et non longitudinale.
En 1845, Michael Faraday (1791-1867) réalise une expérience où il fait traverser un faisceau de lumière polarisée linéairement dans un matériau exposé à un champ magnétique orienté dans la direction de propagation de la lumière. Faraday observe que la direction de polarisation à la sortie du matériau est changée, prouvant l'effet d'un champ magnétique sur la lumière, et confirmant ainsi que la lumière est une onde électromagnétique.
La synthèse de ces divers travaux sur la lumière et la polarisation viendra avec James Clerk Maxwell (1831-1879) qui achèvera de construire la théorie électromagnétique avec les équations de Maxwell publiées sous diverses formes entre 1865 et 1873.
Pieter Zeeman (1865-1943) découvrira en 1896 l'élargissement et la polarisation des raies d'émission spectrales sous l'effet d'un champ magnétique. D'autre part, John Wiliam Strutt (Lord Rayleigh) (1884-1919) publie en 1871 ses travaux sur la diffusion (diffusion Rayleigh) de la lumière par de petites particules, expliquant ainsi la couleur et la polarisation du ciel. Toujours concernant la diffusion, Gustav Mie (1869-1957) établira la solution des équations de Maxwell dans le cas de la diffusion par particules sphériques, ce régime se situant entre le régime de Rayleigh et l'optique géométrique.
Un héritage important
La découverte de la polarisation et son étude ont ouvert un champ d'étude important que les sciences planétaires ont su exploiter, comme nous allons le voir dans le cadre de ce chapitre. Nous ne traiterons pas tous les phénomènes liés à la polarisation mais nous nous focaliserons sur ceux utiles à la planétologie.