Doppelbrechung und Kristalloptik

Doppelbrechende Kristalle besitzen einen Brechungsindex, der von der Polarisation und Richtung des Lichts abhängt, wodurch ein Strahl in zwei Strahlen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aufgeteilt wird.

Definition

Die Abhängigkeit des Brechungsindex eines Mediums von der Polarisationsrichtung und Ausbreitungsrichtung des Lichts, die dazu führt, dass sich Licht in ordentliche und außerordentliche Komponenten aufspaltet, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten.

Scope

Dieses Thema behandelt die Lichtausbreitung in optisch anisotropen Medien. Es umfasst den dielektrischen Tensor und das Indexellipsoid, ordentliche und außerordentliche Strahlen, einachsige und zweiachsige Kristalle, die zwischen orthogonalen Komponenten akkumulierte Phasenverzögerung, Doppelbrechung und Strahlversatz (walk-off), optische Aktivität und zirkuläre Doppelbrechung sowie feldinduzierte Anisotropie durch den elektrooptischen und photoelastischen Effekt. Es erklärt, wie anisotrope Materialien die Polarisation transformieren und ist die Grundlage für Wellenplatten, Polarisationsprismen und elektrooptische Modulatoren.

Core questions

• Warum brechen anisotrope Kristalle Licht in zwei Strahlen?
• Wie wird das optische Verhalten eines Kristalls durch das Indexellipsoid erfasst?
• Was unterscheidet einachsige von zweiachsigen Kristallen?
• Wie induzieren oder verändern externe Felder die Doppelbrechung?

Key concepts

• Doppelbrechung
• ordentliche und außerordentliche Strahlen
• Indexellipsoid
• einachsige und zweiachsige Kristalle
• optische Achse
• Phasenverzögerung
• optische Aktivität
• elektrooptischer Effekt

Key theories

Indexellipsoid und Doppelbrechung

In einem anisotropen Kristall wird der Brechungsindex für eine gegebene Polarisation und Richtung aus dem Indexellipsoid abgelesen, wodurch sich unterschiedliche ordentliche und außerordentliche Wellen ergeben, die unterschiedlich gebrochen werden und eine relative Phase akkumulieren.

Elektrooptischer Effekt

Ein angelegtes elektrisches Feld verändert das Indexellipsoid bestimmter Kristalle und ändert deren Doppelbrechung proportional zum Feld (Pockels-Effekt) oder dessen Quadrat (Kerr-Effekt), die Grundlage schneller optischer Modulatoren.

Clinical relevance

Doppelbrechung ist der Kontrastmechanismus in der polarisationsmikroskopischen Untersuchung, der zur Identifizierung von Kristallen in Gelenkflüssigkeit, wie den negativ doppelbrechenden Uratkristallen bei Gicht und dem positiv doppelbrechenden Kalziumpyrophosphat bei Pseudogicht, sowie zur Beurteilung von Kollagen und Amyloid in Gewebeschnitten verwendet wird.

History

Bartholin berichtete 1669 über die Doppelbrechung in Kalzit, und Huygens analysierte sie mit seiner Wellenkonstruktion, wobei er die zwei unterschiedlichen Wellenfronten feststellte. Fresnels Theorie der transversalen Wellen in den 1820er Jahren lieferte eine vollständige Erklärung der Doppelbrechung, und die elektrooptischen Effekte wurden später von Kerr und Pockels charakterisiert.

Key figures

• Erasmus Bartholin
• Christiaan Huygens
• Augustin-Jean Fresnel

Seminal works

• bornwolf1999
• hecht2017

Frequently asked questions

Warum zeigt ein Kalzitkristall ein Doppelbild?

Kalzit ist doppelbrechend, sodass eindringendes Licht in ordentliche und außerordentliche Strahlen aufgeteilt wird, die unter verschiedenen Winkeln gebrochen werden und getrennt austreten, wodurch zwei verschobene Bilder von allem, was durch den Kristall betrachtet wird, entstehen.

Was ist optische Aktivität?

Optische Aktivität ist eine Form der zirkulären Doppelbrechung, bei der ein Medium, wie eine Zuckerlösung oder Quarz, die Ebene linear polarisierten Lichts dreht, weil es links- und rechtszirkuläre Polarisationen mit leicht unterschiedlichen Geschwindigkeiten überträgt.