Prisme (optique)

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Photographie de trois prismes en verre posés sur une table en bois.
Trois prismes à base triangulaire : un prisme à angle droit, un prisme à 60° et un prisme à 30°.

Un prisme est un bloc de verre taillé, composé classiquement de trois faces sur une base triangulaire mais pouvant adopter des formes plus complexes et éloignées du prisme à base triangulaire usuel. C'est un instrument optique utilisé pour réfracter la lumière, la réfléchir ou la disperser. Des prismes spéciaux peuvent aussi servir à diffracter la lumière, la polariser ou en séparer les polarisations ou encore créer des interférences.

Utilisé dans l'antiquité pour son côté décoratif, sous forme de perles ou pour décomposer la lumière, le prisme connaît son premier essor comme instrument scientifique durant le Moyen Âge tardif. Il a permis de grandes avancées dans la compréhension de la composition de la lumière grâce aux expériences d'Isaac Newton au e siècle. Depuis, les prismes ont été utilisés majoritairement en spectroscopie et dans toute application nécessitant des déviations ou des séparations de faisceau. Considéré comme un outil rudimentaire depuis son âge d'or en spectroscopie, les prismes demeurent omniprésents en optique dans de multiples applications comme la séparation d'harmonique.

Histoire

Les prismes utilisés par Fraunhofer pour découvrir et dénombrer les raies de Fraunhofer, qui sont utilisées depuis comme longueurs d'onde de référence.

Appelés vitrum trigonum du temps de la Rome Antique[1], un récit de Pline l'Ancien en mentionnerait l'existence dans un passage traitant d'un cristal taillé en prisme capable de transformer la lumière du soleil en arc-en-ciel[2]. La manufacture à cette époque de perles de verre de forme prismatique a été attestée en particulier sur le site de Ban Don Ta Phet (thaï : บ้านดอนตาเพชร), un site archéologique de l'âge du fer dans l'Amphoe Phanom Thuan en Thailande. Ces perles, transparentes ou translucides, sont volontairement taillées en forme de prismes similaires aux cristaux naturels à base triangulaire ou hexagonale par exemple[3],[4]. L'existence de prismes ou d'éléments similaires est aussi attestée par Sénèque qui mentionne dans ses Questiones naturæ des baguettes de verre qui servent à transformer la lumière en un arc-en-ciel[5],[6],[7], prismes qui auraient été très utilisés de son temps. Sénèque attribue cependant à cette époque les couleurs de l'arc-en-ciel à des fausses couleurs fugitives comme les reflets irisés des plumes de pigeon[8]. En 1275, Vitellion reproduit ce phénomène en remplissant un prisme de base hexagonale avec de l'eau, en faisant passer de la lumière au travers, la lumière est décomposée[9].

Si le prisme est connu depuis longtemps, la « transformation » de la lumière du soleil en de multiples couleurs n'est toujours pas expliquée et les couleurs sont considérées jusqu'au e siècle comme des mélanges d'ombre et de lumière[10],[11] ou comme le mélange de particules de la surface des objets avec des particules de lumière[10]. Il faut attendre les expériences d'Isaac Newton qui cherche à comprendre la déformation du faisceau en sortie du prisme plutôt que de s'intéresser aux couleurs pour que la décomposition du spectre soit comprise. Le faisceau, ovale, est déformé ce qui se heurte aux lois de la réfraction alors connues : l'indice de réfraction était considéré comme unique et propre au milieu qui modifiait la lumière. Newton montre par ses expériences que ce n'est pas le prisme qui modifie la lumière mais les propriétés du matériau qui sont différentes pour les couleurs[11].

L'utilisation croissante des prismes est concomitante avec la découverte du phénomène de dispersion de la lumière blanche et la compréhension que celle-ci est composée d'un continuum de couleurs[12]. C'est aussi grâce à cette expérience des prismes que l'on compris le caractère inévitable des aberrations chromatiques dans les télescopes[13]. À partir du début du e siècle, les recherches sur l'éther deviennent de plus en plus nombreuses, et les expériences visant à en démontrer l'existence se multiplient. En 1810, François Arago cherche à observer la différence de vitesse des ondes lumineuses dans l'éther grâce à la déviation des rayons stellaires dans un prisme à différentes heures du jour. Cette expérience est réinterprétée par Augustin Fresnel qui en déduit que l'éther subit un entraînement partiel dans les milieux réfringents comme celui du prisme[14]. Un siècle de recherches s'achevèrent en tous les cas par l'abandon de la théorie de l'éther.

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