[科普中国]-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。1

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。

说明双折射介质中波传播的数学描述如下，以下是对这种现象的定性解释。

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。2

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。

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。3

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。

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。4

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。

应用医学双折射效应用于医疗诊断。与光学显微镜一起使用的强大附件是一对交叉偏振滤光片。来自源极的光在通过第一偏振片之后在X方向上极化，但是在该样本之上是在Y方向上取向的偏振器（所谓的分析器）。因此，分析仪不会接受来自光源的光线，并且该场将显示为暗。然而，具有双折射的样品的区域通常将一些X偏振光耦合到Y偏振中；这些区域将会在黑暗的背景下显得很亮。这种基本原理的修改可以区分正负双折射。

在该视图中晶体长轴看作水平的Urate晶体平行于红色补偿滤光器的晶体。这些显示为黄色，因此呈现负双折射。

例如，来自痛风关节的液体的针抽吸会显示出负双折射的尿酸单钠晶体。相反，焦磷酸钙晶体显示出弱的正双折射。Urate晶体看起来是黄色的，焦磷酸钙晶体当它们的长轴平行于红色补偿滤光片的方向排列时，它们看起来是蓝色的，或者将已知双折射晶体添加到样品中进行比较。

在淀粉样斑块中可以观察到双折射，例如在用诸如刚果红染料染色的阿尔茨海默症患者的大脑中发现的。修饰的蛋白质如免疫球蛋白轻链异常积累在细胞之间，形成原纤维。这些纤维的多个折叠排列并呈现β折叠片状构象。刚果红染料插入折叠之间，当在偏振光下观察时，会引起双折射。

在眼科学中，Henle纤维（从中央凹径向向外的感光轴突）的双目视网膜双折射筛选提供了斜视的可靠检测以及可能的屈光参差性弱视。此外，扫描激光偏振法利用视神经纤维层的双折射间接量化其厚度，这在评估和监测青光眼中是有用的。

精子头中的双折射特性允许选择精子进行胞质内精子注射。同样，zona成像在卵母细胞上使用双折射来选择具有最高成功怀孕机率的那些。从肺结节活检的颗粒的双折射指示矽肺。

皮肤病学家使用皮肤镜观察色素沉着病变和痣。皮肤病患者使用交叉偏振光，允许用户观察对应于皮肤中真皮胶原蛋白的结晶结构。这些结构可能表现为闪亮的白线或玫瑰花形状，仅在极化皮肤镜下可见。5

应力诱导双折射各向同性固体不显示双折射。 然而，当它们处于机械应力下时，会产生双折射。 在双折射塑料制品在使用注射成型制造后冷却后，应力可以外部施加或“冻结”。 当这样的样品放置在两个交叉的偏振器之间时，可以观察到颜色图案，因为光线的偏振在通过双折射材料之后旋转，并且旋转量取决于波长。 用于分析固体中应力分布的光弹性实验方法是基于相同的原理。