[科普中国]-双折射晶体

简介

当一束光波投射到晶体界面上，一般会产生两束折射光束，这种现象称为双折射。由于晶体材料各向异性，这两束折射光线的夹角大小与光波的传播方向以及偏振状态有关。产生双折射现象的晶体叫做双折射晶体。双折射晶体的作用类似于两个透振方向互相垂直的起偏器。

分类双折射晶体分为单轴晶体和双轴晶体，从晶体结构上分析，称为单轴晶的材料属于三、四及六方晶系，可在其中的一个平面内找到2个或多个结晶学上等价的方向；另一类称为双轴晶体的材料属于三斜、单斜或斜方晶系，没有2个结晶学上等价的方向可供选择。晶体的双折射是电光功能材料的重要光学性能参数。

单轴晶体（Uniaxial）定义单轴晶体指的是只有一个光轴的晶体。其折射率椭球为旋转椭球体。属于四方晶系、三方晶系和六方晶系的晶体都是光学单轴晶体。如：方解石(Calcite)、石英(Quartz)。

折射率方程为：

当光线穿过某些晶体（如方解石、铌酸锂、钽酸锂等）时，会折射成两束光。其中一束符合一般折射定律称之为寻常光（简称o光），折射率以no表示；而另一束的折射率随入射角不同而改变，称为非常光（简称e光），折射率以ne表示。一般讲晶体中总有一个或二个方向，当光在晶体中沿此方向传播时，不发生双折射现象，把这个方向叫做晶体的光轴方向。只有一个光轴的称为单轴晶体，有两个光轴方向的称为双轴晶体。由晶体光轴和光线所决定的平面称为晶体的主截面。实验发现，o光和e光都是线偏振光，但它们的光矢量（一般指电场矢量E）的振动方向不同，o光的光矢量振动方向垂直于晶体的主截面，e光的光矢量振动方向平行于晶体的主截面。晶体的光轴在入射面内时，o光和e光的主截面重合，电光矢量的振动方向互相垂直。

物理性质由电磁场理论已知，介电常数ε是表征介质电学特性的参量。由固体物理学知道，不同晶体的结构具有不同的空间对称性，自然界中存在的晶体按其空间对称性的不同，分为七大晶系：立方晶系；四方晶系；六方晶系；三方晶系；正方晶系；单斜晶系；三斜品系。由于它们的对称性不同，所以在主轴坐标系中介电张量的独立分量数目不同，各晶系的介电张量矩阵形式如表所示。由该表可见，三斜、单斜和正交晶系中，主介电系数ε1≠ε2≠ε3，这几类晶体在光学上称为双轴晶体；三方、四方、六方晶系中，主介电系数ε1=ε2≠ε3，这几类晶体在光学上称为单轴品体；立方晶系在光学上是各向同性的，ε1=ε2=ε3。单轴晶体和双轴晶体像石英，红宝石，冰等晶体只有一个光轴方向，它们属于单轴晶体。1

双轴晶体定义双轴晶体具有两个光轴的晶体，其折射率椭球为三轴椭球体。属于三斜晶系、单斜晶系和正交晶系的晶体都是光学双轴晶体。

截面方程：

光在晶体中传播时，在不平行于光轴方向上，由于e光和o光传播速度不同，而出现两个不同折射率的光的像，这种现象叫做双折射现象。双折射现象有两类，单轴晶体和双轴晶体。像石英，红宝石，冰等晶体只有一个光轴方向，它们叫做单轴晶体；像云母，蓝宝石，橄榄石，硫磺等一类晶体有两个光轴方向，它们叫做双轴晶体。

物理性质双轴晶体的三个主介电系数都不相等，即ε1≠ε2≠ε3，因而n1≠n2≠n3。通常主介电系数按ε1