[科普中国]-永久双折射

双折射现象，光学现象的一种，可以用光的横波性质来解释。当光照射到各向异性晶体（单轴晶体，如方解石、石英、红宝石等）时，发生两个不同方向的折射；对于单光材料来说，当光偏振方向垂直于光轴时，光所感受到的折射率为寻常光折射率，称为o光（ordinary ray、寻常光），另一束光的偏振方向平行于光轴则称为e光（extraordinary ray、非寻常光），这两束光都是偏振光，当寻常光折射率大于非寻常光折射率时称之正单光轴材料，反之称负单光轴材料。

各向异性透明晶体如方解石、石英等的折射率，是其固有的特性，称为永久双折射。

双折射简介双折射现象，光学现象的一种，可以用光的横波性质来解释。当光照射到各向异性晶体（单轴晶体，如方解石、石英、红宝石等）时，发生两个不同方向的折射；对于单光材料来说，当光偏振方向垂直于光轴时，光所感受到的折射率为寻常光折射率，称为o光（ordinary ray、寻常光），另一束光的偏振方向平行于光轴则称为e光（extraordinary ray、非寻常光），这两束光都是偏振光，当寻常光折射率大于非寻常光折射率时称之正单光轴材料，反之称负单光轴材料。光线从一个特殊的角度射入晶体是不会发生双折射现象，这一角度称为晶体的光轴。

不能说非寻常光不符合斯涅尔定律（Snell's Law），此误解来自于对于光以及能量的混淆，我们观察到非寻常光的方向为“能量流(energy flow)的方向”而非“光(k vector)的方向”。

波片是这种现象的一个应用。1

永久双折射各向异性透明晶体如方解石、石英等的折射率，是其固有的特性，称为永久双折射。1

暂时双折射有些物质（如玻璃、塑料、环氧树脂）通常是不发生双折射的，但当它们内部有应力时就会出现双折射现象 。还有些不发生双折射的物质（如硝基苯、钛酸钡），在电场的作用下会出现双折射，这种现象称为暂时双折射或人工双折射。2

双折射效应简介双折射效应是具有取决于光的偏振和传播方向的折射率的材料的光学性质。双折射通常被量化为材料表现的折射率之间的最大差异。 具有非立方晶体结构的晶体通常是双折射的，塑料在机械应力下也是双折射的。

双折射是造成双重折射现象的原因，其中当光线入射到双折射材料上时，光线被偏振分成两条略微不同的路径。 这种效应首先由丹麦科学家Rasmus Bartholin在1669年描述，他观察到方解石是一种具有最强双折射的晶体。 然而，直到19世纪，奥古斯丁·菲涅尔才描述了极化现象，把光作为横向极化中的场分量（垂直于波矢的方向）的波浪来理解。2

单轴材料双折射的最简单形式被描述为单轴的，这意味着存在控制光学各向异性的单一方向，而与其垂直的所有方向（或与其给定的角度）是光学等效的。因此围绕该轴旋转材料不改变其光学行为。这种特殊的方向被称为材料的光轴。其偏振垂直于光轴的光由折射率 决定。偏振光在光轴方向的光看到光学指数 。对于任何射线方向，存在垂直于光轴的线偏振方向，这称为普通射线。然而，对于不平行于光轴的射线方向，垂直于普通射线偏振的偏振方向将部分地在光轴的方向上，这被称为非凡光线。常规光线总是会遇到折射率为 ，而非常光线的折射率将在 和 之间，这取决于由折射椭球所描述的射线方向。差值的大小由双折射量化：

普通射线的传播（以及反射系数）简单地用 和表示，就像没有涉及双折射一样。然而，正如其名称所示，非凡的光线与均匀光学材料中的任何波形不同。可以使用有效折射率（在和之间的值）来理解其表面处的折射（和反射），这导致该光束的附加偏移，即使在正常入射时发射，如通常使用上述拍摄的方解石晶体观察到的那样。旋转方解石晶体将导致两个图像中的一个，非凡光线的图像稍微旋转，使其保持固定不变。

当光沿光轴或与光轴正交的方向传播时，不会发生这种横向偏移。在第一种情况下，两种偏振参见相同的有效折射率，因此没有特别的光线。在第二种情况下，异常射线以不同的相速度（对应于ne）传播，但不是不均匀的波。可以使用其光轴在该取向上平行于光学表面的晶体来产生波片，其中不存在图像失真，但有意修改入射波的偏振状态。例如，四分之一波长板通常用于从线偏振源产生圆偏振。3

双轴材料所谓的双轴晶体的情况比较复杂，其特征在于对应于晶体的三个主轴的三个折射率。对于大多数射线方向，两个极化将被分类为非凡射线，但具有不同的有效折射率。然而，作为非常波，在任一情况下，功率流的方向与波矢的方向不同。

可以使用给定极化方向的折射率椭圆来确定两个折射率。注意，对于双轴晶体，折射椭球不会是旋转的椭圆（“球体”），而是由三个不等的主折射率，和描述。因此，没有轴旋转离开光学性质不变。

虽然没有对称轴，但是存在两个光轴或二次方程，其被定义为光可以传播而不具有双折射的方向，即波长与偏振无关的方向。为此，具有三种不同折射率的双折射材料称为双轴。另外，有两个不同的轴被称为光线轴或双向，光束的群速度沿着这两个轴独立于极化。4

双折射当任意光束照射到双折射材料的表面时，对应于普通和非凡光线的极化通常采取一些不同的路径。非偏振光由任何两个正交偏振中的等量的能量组成，甚至偏振光（特殊情况除外）在这些极化的每一个中将具有一些能量。根据Snell的折射定律，折射角将由这两个极化之间的有效折射率决定。例如，在Wollaston棱镜中可以清楚地看出，其被设计成使用诸如方解石的双折射材料将入射光分离成两个线性偏振。

两个偏振分量的不同折射率如图所示，光轴沿着表面（并垂直于入射平面），使得折射角不同于p极化（在这种情况下为“普通光线”，其偏振垂直于光轴）和s偏振（“沿光轴具有偏振分量的”非凡光线“）。另外，在光轴不沿着折射表面（也不完全垂直于其）的情况下，发生双重折射的不同形式；在这种情况下，双折射材料的电极化不是精确地在非常光线的波的电场方向上。对于这种不均匀的波，功率流的方向（由坡印亭矢量给出）与波矢的方向成有限的角度，导致这些波束之间的额外分离。因此，即使在正常入射的情况下，其中折射角为零（根据斯涅耳定律，无论有效的折射率如何），非凡光线的能量可以以一定角度传播。5

普通双折射材料最好表征的双折射材料是晶体。由于其特定的晶体结构，它们的折射率被很好地定义。根据晶体结构的对称性（由32个可能的结晶点组中的一个确定），该组中的晶体可能被迫为各向同性（不是双折射），具有单轴对称性，或者在这种情况下也不是双轴晶体。

许多塑料是双折射的，因为当塑料被模塑或挤出时，它们的分子被“冷冻”成拉伸的构象。例如，普通玻璃纸是双折射的。常规使用偏光镜来检测塑料中的应力，如聚苯乙烯和聚碳酸酯。

棉纤维是双折射的，因为纤维素的二次细胞壁中的纤维素材料含量很高。

极化光学显微术通常用于生物组织，因为许多生物材料是双折射的。在软骨，肌腱，骨骼，角膜和身体其他几个区域发现的胶原蛋白是双折射的，通常用偏光显微镜研究。一些蛋白质也是双折射的，具有双折射形式。

光纤中不可避免的制造缺陷导致双折射，这是光纤通信中的脉冲展宽的一个原因。由于施加到光纤上的应力和/或由于光纤的弯曲，这种缺陷可以是几何形状（缺少圆形对称性）。有意引入双折射（例如，通过使横截面为椭圆形）以产生偏振保持光纤。

除了电极化性（电磁化率）的各向异性之外，磁极化率（磁导率）的各向异性也可引起双折射。然而，在光学频率下，天然材料的磁导率值与 不可测量地不同，所以在实践中这不是光学双折射的来源。6

本词条内容贡献者为:

尚华娟 - 副教授 - 上海财经大学