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복굴절이라는 광학현상을 발견했다. 바르톨린은 코펜하겐대학교 내과교수로 재직하는 동안(1657~98) 빙주석(방해석)을 통해서 볼 경우 상이 이중으로 맺히는 현상을 관찰했다. 그리고 이 결정을 회전시킬 때 한 상은 제자리에 머물고 다른 상은 결정과 더불어 회전한다는 사실도 발견했다.

방해석을 통과한 빛이 둘로 나뉜다는 사실을 알고 그는 제자리에 머무는 상은 '정상광선', 움직이는 상은 '이상광선'이라고 명명했다. 바르톨린 자신은 복굴절현상을 설명할 수 없었지만, 그러한 현상은 아이작 뉴턴의 광학이론에 심하게 모순되는 것으로 여겨졌다.