Двулучепреломление и кристаллооптика

Двулучепреломляющие кристаллы обладают показателем преломления, который зависит от поляризации и направления света, разделяя луч на два с различными скоростями.

Definition

Зависимость показателя преломления среды от направления поляризации и направления распространения света, что приводит к разделению света на обыкновенную и необыкновенную компоненты, распространяющиеся с разными скоростями.

Scope

Эта тема охватывает распространение света в оптически анизотропных средах. Она включает диэлектрический тензор и эллипсоид показателей, обыкновенные и необыкновенные лучи, одноосные и двуосные кристаллы, накопленное фазовое запаздывание между ортогональными компонентами, двойное лучепреломление и снос луча, оптическую активность и круговое двулучепреломление, а также наведенную полем анизотропию посредством электрооптического и фотоупругого эффектов. Объясняется, как анизотропные материалы преобразуют поляризацию, и лежат в основе волновых пластин, поляризационных призм и электрооптических модуляторов.

Core questions

• Почему анизотропные кристаллы преломляют свет на два луча?
• Как оптическое поведение кристалла описывается эллипсоидом показателей?
• Что отличает одноосные кристаллы от двуосных?
• Как внешние поля вызывают или изменяют двулучепреломление?

Key concepts

• двулучепреломление
• обыкновенные и необыкновенные лучи
• эллипсоид показателей
• одноосные и двуосные кристаллы
• оптическая ось
• фазовое запаздывание
• оптическая активность
• электрооптический эффект

Key theories

Эллипсоид показателей и двойное лучепреломление

В анизотропном кристалле показатель преломления для данной поляризации и направления считывается с эллипсоида показателей, что приводит к образованию различных обыкновенных и необыкновенных волн, которые преломляются по-разному и накапливают относительную фазу.

Электрооптический эффект

Приложенное электрическое поле изменяет эллипсоид показателей некоторых кристаллов, изменяя их двулучепреломление пропорционально полю (эффект Поккельса) или его квадрату (эффект Керра), что является основой быстрых оптических модуляторов.

Clinical relevance

Двулучепреломление является механизмом контрастирования в поляризационной микроскопии, используемым для идентификации кристаллов в синовиальной жидкости, таких как отрицательно двулучепреломляющие кристаллы уратов при подагре и положительно двулучепреломляющие кристаллы пирофосфата кальция при псевдоподагре, а также для оценки коллагена и амилоида в срезах тканей.

History

Бартолин сообщил о двойном лучепреломлении в кальците в 1669 году, а Гюйгенс проанализировал его с помощью своего волнового построения, отметив два различных волновых фронта. Теория поперечных волн Френеля в 1820-х годах дала полное описание двулучепреломления, а электрооптические эффекты были охарактеризованы позднее Керром и Поккельсом.

Key figures

• Erasmus Bartholin
• Christiaan Huygens
• Augustin-Jean Fresnel

Seminal works

• bornwolf1999
• hecht2017

Frequently asked questions

Почему кристалл кальцита дает двойное изображение?

Кальцит является двулучепреломляющим, поэтому свет, попадающий в него, разделяется на обыкновенный и необыкновенный лучи, которые преломляются под разными углами и выходят разделенными, создавая два смещенных изображения того, что рассматривается через кристалл.

Что такое оптическая активность?

Оптическая активность — это форма кругового двулучепреломления, при которой среда, такая как раствор сахара или кварц, вращает плоскость линейно поляризованного света, поскольку она пропускает левую и правую круговые поляризации с немного разными скоростями.