双折射与晶体光学

双折射晶体的折射率取决于光的偏振和方向，将光束分成两束，以不同的速度传播。

Definition

介质折射率对光的偏振方向和传播方向的依赖性，导致光分裂成以不同速度传播的寻常光和非寻常光分量。

Scope

本主题涵盖光在光学各向异性介质中的传播。它包括介电张量和折射率椭球、寻常光和非寻常光、单轴晶体和双轴晶体、正交分量之间累积的相位延迟、双折射和光束漂移、旋光性和圆双折射，以及通过电光效应和光弹性效应引起的场致各向异性。它解释了各向异性材料如何改变偏振，以及波片、偏振棱镜和电光调制器的工作原理。

Core questions

• 为什么各向异性晶体会将光折射成两束？
• 折射率椭球如何描述晶体的光学行为？
• 单轴晶体和双轴晶体有何区别？
• 外部场如何诱导或改变双折射？

Key concepts

• 双折射
• 寻常光和非寻常光
• 折射率椭球
• 单轴晶体和双轴晶体
• 光轴
• 相位延迟
• 旋光性
• 电光效应

Key theories

折射率椭球和双折射

在各向异性晶体中，给定偏振和方向的折射率可从折射率椭球中读取，从而产生不同的寻常波和非寻常波，它们以不同方式折射并累积相对相位。

电光效应

施加的电场会改变某些晶体的折射率椭球，使其双折射程度与电场（普克尔斯效应）或其平方（克尔效应）成比例变化，这是快速光调制器的基础。

Clinical relevance

双折射是偏振光显微镜中的对比机制，用于识别关节液中的晶体，例如痛风的负双折射尿酸盐晶体和假性痛风的正双折射焦磷酸钙晶体，以及评估组织切片中的胶原蛋白和淀粉样蛋白。

History

巴托林于1669年报告了方解石中的双折射现象，惠更斯用他的波构造对其进行了分析，并指出了两个不同的波阵面。菲涅耳在19世纪20年代提出的横波理论对双折射进行了全面解释，而电光效应则由克尔和普克尔斯在后来进行了表征。

Key figures

• Erasmus Bartholin
• Christiaan Huygens
• Augustin-Jean Fresnel

Seminal works

• bornwolf1999
• hecht2017

Frequently asked questions

为什么方解石晶体会显示双重图像？

方解石具有双折射性，因此进入其中的光会分裂成寻常光和非寻常光，它们以不同的角度折射并分离出来，从而产生通过晶体观察到的任何物体的两个位移图像。

什么是旋光性？

旋光性是一种圆双折射形式，其中介质（例如糖溶液或石英）会旋转线偏振光的平面，因为它以略微不同的速度传输左旋和右旋圆偏振光。