Lưỡng chiết và Quang học tinh thể

Các tinh thể lưỡng chiết có chiết suất phụ thuộc vào sự phân cực và hướng của ánh sáng, tách một chùm tia thành hai với vận tốc khác nhau.

Definition

Sự phụ thuộc của chiết suất của một môi trường vào hướng phân cực và hướng truyền của ánh sáng, điều này làm cho ánh sáng tách thành các thành phần thường và bất thường truyền đi với tốc độ khác nhau.

Scope

Chủ đề này bao gồm sự truyền ánh sáng trong các môi trường dị hướng quang học. Nó bao gồm tensor điện môi và ellipsoid chiết suất, tia thường và tia bất thường, tinh thể đơn trục và song trục, độ trễ pha tích lũy giữa các thành phần trực giao, khúc xạ kép và sự lệch hướng, hoạt động quang học và lưỡng chiết tròn, và sự dị hướng do trường gây ra thông qua các hiệu ứng điện-quang và quang đàn hồi. Nó giải thích cách các vật liệu dị hướng biến đổi sự phân cực và là cơ sở của các bản sóng, lăng kính phân cực và bộ điều biến điện-quang.

Core questions

• Tại sao các tinh thể dị hướng khúc xạ ánh sáng thành hai chùm tia?
• Hành vi quang học của một tinh thể được thể hiện bằng ellipsoid chiết suất như thế nào?
• Điều gì phân biệt tinh thể đơn trục với tinh thể song trục?
• Các trường bên ngoài gây ra hoặc thay đổi lưỡng chiết như thế nào?

Key concepts

• lưỡng chiết
• tia thường và tia bất thường
• ellipsoid chiết suất
• tinh thể đơn trục và song trục
• trục quang
• độ trễ pha
• hoạt động quang học
• hiệu ứng điện-quang

Key theories

Ellipsoid chiết suất và khúc xạ kép

Trong một tinh thể dị hướng, chiết suất đối với một sự phân cực và hướng nhất định được đọc từ ellipsoid chiết suất, tạo ra các sóng thường và sóng bất thường riêng biệt khúc xạ khác nhau và tích lũy một pha tương đối.

Hiệu ứng điện-quang

Một điện trường đặt vào làm thay đổi ellipsoid chiết suất của một số tinh thể, thay đổi độ lưỡng chiết của chúng tỷ lệ với trường (hiệu ứng Pockels) hoặc bình phương của nó (hiệu ứng Kerr), là cơ sở của các bộ điều biến quang học nhanh.

Clinical relevance

Lưỡng chiết là cơ chế tương phản trong kính hiển vi ánh sáng phân cực được sử dụng để xác định các tinh thể trong dịch khớp, chẳng hạn như các tinh thể urat lưỡng chiết âm tính trong bệnh gút và canxi pyrophosphat lưỡng chiết dương tính trong giả gút, và để đánh giá collagen và amyloid trong các lát cắt mô.

History

Bartholin đã báo cáo hiện tượng khúc xạ kép trong canxit vào năm 1669, và Huygens đã phân tích nó bằng cách xây dựng sóng của mình, ghi nhận hai mặt sóng riêng biệt. Lý thuyết sóng ngang của Fresnel vào những năm 1820 đã đưa ra một mô tả đầy đủ về lưỡng chiết, và các hiệu ứng điện-quang đã được Kerr và Pockels mô tả đặc tính sau này.

Key figures

• Erasmus Bartholin
• Christiaan Huygens
• Augustin-Jean Fresnel

Seminal works

• bornwolf1999
• hecht2017

Frequently asked questions

Tại sao một tinh thể canxit lại hiển thị hình ảnh kép?

Canxit là chất lưỡng chiết, vì vậy ánh sáng đi vào nó tách thành tia thường và tia bất thường khúc xạ ở các góc khác nhau và xuất hiện tách biệt, tạo ra hai hình ảnh dịch chuyển của bất cứ thứ gì được nhìn qua tinh thể.

Hoạt động quang học là gì?

Hoạt động quang học là một dạng lưỡng chiết tròn trong đó một môi trường, chẳng hạn như dung dịch đường hoặc thạch anh, làm quay mặt phẳng của ánh sáng phân cực tuyến tính vì nó truyền các phân cực tròn trái và phải với tốc độ hơi khác nhau.