Fonctionnement d'un prisme de Nicol comme analyseur polarisant

Le prisme de Nicol : Un analyseur optique classique

Le prisme de Nicol, inventé par William Nicol en 1828, fut le premier dispositif pratique pour produire et analyser la lumière polarisée plane. Bien que largement remplacé par des polariseurs modernes comme les feuilles Polaroid et les prismes de type Glan, comprendre son fonctionnement donne un aperçu fondamental de l'optique de polarisation et de la biréfringence.

Construction et rôle de la calcite

Le prisme est construit à partir d'un rhomboèdre de calcite (carbonate de calcium), un cristal fortement biréfringent. Le cristal est coupé le long de sa diagonale (à un angle spécifique de 68° par rapport à l'axe cristallin), et les deux moitiés sont recollées à l'aide de baume du Canada, une résine transparente dont l'indice de réfraction est intermédiaire entre les deux indices de réfraction de la calcite pour les rayons ordinaire et extraordinaire.

Double réfraction et séparation des faisceaux

Lorsque de la lumière non polarisée entre dans la calcite, elle se divise en deux faisceaux polarisés orthogonalement en raison de la double réfraction :

• Rayon ordinaire (O-rayon) : Subit un indice de réfraction d'environ 1,658. Sa polarisation est perpendiculaire au plan principal. À la couche de baume du Canada, il arrive sous un angle supérieur à l'angle critique et subit une réflexion totale interne, le déviant hors du côté du prisme où il est absorbé par une surface noircie.
• Rayon extraordinaire (E-rayon) : Subit un indice de réfraction plus faible (~1,486). Sa polarisation se trouve dans le plan principal. Il traverse la couche de baume du Canada avec une déviation minimale, sortant du prisme sous forme de faisceau de lumière polarisée plane.

Fonctionnement comme analyseur

Lorsqu'il est utilisé comme analyseur, le prisme de Nicol est placé dans un faisceau de lumière déjà polarisée (par exemple, lumière réfléchie par une surface ou passée à travers un polariseur). En faisant tourner le prisme autour de l'axe optique :

• Transmission maximale : Se produit lorsque le plan principal du prisme (direction polarisation E-rayon) s'aligne avec la polarisation de la lumière incidente.
• Extinction (Transmission minimale) : Se produit lorsque le prisme est tourné de 90°, alignant son plan principal perpendiculairement à la polarisation incidente. L'E-rayon est alors bloqué (réfléchi), et idéalement, aucune lumière ne passe.

Cette propriété — transmission variant comme le carré du cosinus de l'angle entre directions de polarisation (Loi de Malus) — permet au prisme de Nicol de déterminer l'état de polarisation, le degré de polarisation, et l'orientation du plan de vibration de la lumière incidente.

Contexte historique et remplacements modernes

Les prismes de Nicol étaient essentiels dans les premiers microscopes polarisants, saccharimètres (analyse sucre), et analyse de contraintes (photoélasticité). Cependant, ils ont des inconvénients significatifs : ouverture limitée (géométrie réflexion totale), coût élevé, fragilité, et tendance du baume du Canada à jaunir et se dégrader avec le temps. Les prismes Glan-Thompson, Glan-Taylor, et Glan-Foucault modernes offrent des ouvertures plus grandes, des rapports d'extinction plus élevés, et meilleure durabilité, tandis que les films polymères dichroïques (Polaroid) fournissent une polarisation peu coûteuse, grande surface.