フレネル菱面体
1817年フレネルは、入射面上を振動する直線偏光が、全反射によって部分的に無偏光化されているらしいことに気付いた。色偏光の実験に全反射を取り入れることで、フレネルは一見偏光していないように見える光線が、入射面に平行・垂直な2つの成分の重ね合わせであり、全反射に際それらの位相に差が生じることを見出した。入射角を適切に選べば(ただしこの時点では正確に算出されていない)、1/8 円の位相差が得られる。平行に配置した2つのプリズムを使ってそのような反射を2回起こせば、1/4 円の差になる。この場合、進行方向に対し 45° の角度で直線偏光している光は「完全に無偏光化される(completely depolarized)」ように思われた。これらの結果は報告書にまとめられ1817年11月にフランス科学アカデミーに提出された。
1818年1月の補遺においてフレネルは、偏光を一対のプリズムに通すことで、旋光と同じ現象を引き起こせると述べた。つまり、通常の複屈折性を持つ物質の薄片(光学軸に平行にスライスしたもの)に対して 45° の角度で光線を入射させ、続けて1枚目と 90° を成すよう配置した2枚目の薄片に通すというものである。これは旋光と複屈折の数学的関係を示す最初の実験的証拠であった。
色偏光(複屈折を起こす結晶の薄片に偏光を通し、検出器にかけると色づいて見える現象)は1811年にフランソワ・アラゴによって発見され、1812年にジャン=バティスト・ビオによって詳細な分析が行われた。1813年、ビオはアラゴの研究のうち一つ、すなわち光学軸に対し垂直に切断された石英が、実は光線の進入距離に応じて偏波面(英語版)を緩やかに回転させていること(旋光)を突き止めた。彼はさらに歩を進め、テレビン油等のある種の液体もこれと同じ性質を持つことを発見した。
1816年、フレネルは色偏光に対する最初の取り組みを「光の波動説」に基づいて行った。 この時点では横波性を明示的に持ち出すことはなかったが、光を直交する2つの(偏光)成分から成るものとして扱っている。