複屈折と結晶光学

複屈折性結晶は、光の偏光と方向によって屈折率が異なり、光線を異なる速度を持つ2つの光線に分割します。

Definition

媒体の屈折率が光の偏光方向と伝播方向によって異なる現象であり、これにより光が異なる速度で伝播する常光線と異常光線に分割されます。

Scope

このトピックは、光学的に異方性な媒体における光の伝播を扱います。誘電率テンソルと屈折率楕円体、常光線と異常光線、一軸性結晶と二軸性結晶、直交する成分間に蓄積される位相差、複屈折とウォークオフ、旋光性と円偏光複屈折、および電気光学効果と光弾性効果による電場誘起異方性が含まれます。異方性材料がどのように偏光を変換するかを説明し、波長板、偏光プリズム、電気光学変調器の基礎となります。

Core questions

• 異方性結晶が光を2つの光線に屈折させるのはなぜですか？
• 結晶の光学的挙動は屈折率楕円体によってどのように捉えられますか？
• 一軸性結晶と二軸性結晶を区別するものは何ですか？
• 外部電場はどのように複屈折を誘起または変化させますか？

Key concepts

• 複屈折
• 常光線と異常光線
• 屈折率楕円体
• 一軸性結晶と二軸性結晶
• 光軸
• 位相差
• 旋光性
• 電気光学効果

Key theories

屈折率楕円体と複屈折

異方性結晶では、特定の偏光と方向に対する屈折率は屈折率楕円体から読み取られ、異なる屈折を示す別個の常光線と異常光線が生成され、相対的な位相差が蓄積されます。

電気光学効果

印加された電場は特定の結晶の屈折率楕円体を変化させ、電場に比例して（ポッケルス効果）またはその二乗に比例して（カー効果）複屈折を変化させ、高速光変調器の基礎となります。

Clinical relevance

複屈折は、偏光顕微鏡におけるコントラスト機構であり、関節液中の結晶（例えば、痛風の負の複屈折性尿酸結晶や偽痛風の正の複屈折性ピロリン酸カルシウム）を同定するため、また組織切片中のコラーゲンやアミロイドを評価するために使用されます。

History

1669年にバーソリンが方解石における複屈折を報告し、ホイヘンスは自身の波動構成を用いてこれを分析し、2つの異なる波面があることを指摘しました。1820年代のフレネルの横波理論は複屈折の完全な説明を与え、電気光学効果は後にカーとポッケルスによって特徴づけられました。

Key figures

• Erasmus Bartholin
• Christiaan Huygens
• Augustin-Jean Fresnel

Seminal works

• bornwolf1999
• hecht2017

Frequently asked questions

方解石結晶が二重像を示すのはなぜですか？

方解石は複屈折性であるため、そこに入射する光は常光線と異常光線に分かれ、異なる角度で屈折し、分離して現れるため、結晶を通して見るものが2つのずれた像として生成されます。

旋光性とは何ですか？

旋光性は円偏光複屈折の一種であり、糖溶液や石英などの媒体が直線偏光の面を回転させます。これは、左円偏光と右円偏光をわずかに異なる速度で透過するためです。