基本介紹
- 中文名：雙折射效應
- 外文名：double refraction
- 領域：光學
- 首次提出：Rasmus Bartholin
- 形式：單軸、雙軸
- 代表晶體：方解石
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簡介
雙折射是造成雙重折射現象的原因，其中當光線入射到雙折射材料上時，光線被偏振分成兩條略微不同的路徑。 這種效應首先由丹麥科學家Rasmus Bartholin在1669年描述，他觀察到方解石是一種具有最強雙折射的晶體。 然而，直到19世紀，奧古斯丁·菲涅爾才描述了極化現象，把光作為橫向極化中的場分量（垂直於波矢的方向）的波浪來理解。
說明
雙折射介質中波傳播的數學描述如下，以下是對這種現象的定性解釋。
單軸材料
雙折射的最簡單形式被描述為單軸的，這意味著存在控制光學各向異性的單一方向，而與其垂直的所有方向（或與其給定的角度）是光學等效的。因此圍繞該軸旋轉材料不改變其光學行為。這種特殊的方向被稱為材料的光軸。其偏振垂直於光軸的光由折射率
決定。偏振光在光軸方向的光看到光學指數
。對於任何射線方向，存在垂直於光軸的線偏振方向，這稱為普通射線。然而，對於不平行於光軸的射線方向，垂直於普通射線偏振的偏振方向將部分地在光軸的方向上，這被稱為非凡光線。常規光線總是會遇到折射率為，而非常光線的折射率將在和之間，這取決於由折射橢球所描述的射線方向。差值的大小由雙折射量化：
普通射線的傳播（以及反射係數）簡單地用表示，就像沒有涉及雙折射一樣。然而，正如其名稱所示，非凡的光線與均勻光學材料中的任何波形不同。可以使用有效折射率（在和之間的值）來理解其表面處的折射（和反射），這導致該光束的附加偏移，即使在正常入射時發射，如通常使用上述拍攝的方解石晶體觀察到的那樣。旋轉方解石晶體將導致兩個圖像中的一個，非凡光線的圖像稍微旋轉，使其保持固定不變。
當光沿光軸或與光軸正交的方向傳播時，不會發生這種橫向偏移。在第一種情況下，兩種偏振參見相同的有效折射率，因此沒有特別的光線。在第二種情況下，異常射線以不同的相速度（對應於ne）傳播，但不是不均勻的波。可以使用其光軸在該取向上平行於光學表面的晶體來產生波片，其中不存在圖像失真，但有意修改入射波的偏振狀態。例如，四分之一波長板通常用於從線偏振源產生圓偏振。
雙軸材料
所謂的雙軸晶體的情況比較複雜，其特徵在於對應於晶體的三個主軸的三個折射率。對於大多數射線方向，兩個極化將被分類為非凡射線，但具有不同的有效折射率。然而，作為非常波，在任一情況下，功率流的方向與波矢的方向不同。
可以使用給定極化方向的折射率橢圓來確定兩個折射率。注意，對於雙軸晶體，折射橢球不會是旋轉的橢圓（“球體”），而是由三個不等的主折射率
，
和
描述。因此，沒有軸旋轉離開光學性質不變。
雖然沒有對稱軸，但是存在兩個光軸或二次方程，其被定義為光可以傳播而不具有雙折射的方向，即波長與偏振無關的方向。為此，具有三種不同折射率的雙折射材料稱為雙軸。另外，有兩個不同的軸被稱為光線軸或雙向，光束的群速度沿著這兩個軸獨立於極化。
雙折射
當任意光束照射到雙折射材料的表面時，對應於普通和非凡光線的極化通常採取一些不同的路徑。非偏振光由任何兩個正交偏振中的等量的能量組成，甚至偏振光（特殊情況除外）在這些極化的每一個中將具有一些能量。根據Snell的折射定律，折射角將由這兩個極化之間的有效折射率決定。例如，在Wollaston稜鏡中可以清楚地看出，其被設計成使用諸如方解石的雙折射材料將入射光分離成兩個線性偏振。
兩個偏振分量的不同折射率如圖所示，光軸沿著表面（並垂直於入射平面），使得折射角不同於p極化（在這種情況下為“普通光線”，其偏振垂直於光軸）和s偏振（“沿光軸具有偏振分量的”非凡光線“）。另外，在光軸不沿著折射表面（也不完全垂直於其）的情況下，發生雙重折射的不同形式；在這種情況下，雙折射材料的電極化不是精確地在非常光線的波的電場方向上。對於這種不均勻的波，功率流的方向（由坡印亭矢量給出）與波矢的方向成有限的角度，導致這些波束之間的額外分離。因此，即使在正常入射的情況下，其中折射角為零（根據斯涅耳定律，無論有效的折射率如何），非凡光線的能量可以以一定角度傳播。
普通雙折射材料
最好表征的雙折射材料是晶體。由於其特定的晶體結構，它們的折射率被很好地定義。根據晶體結構的對稱性（由32個可能的結晶點組中的一個確定），該組中的晶體可能被迫為各向同性（不是雙折射），具有單軸對稱性，或者在這種情況下也不是雙軸晶體。
許多塑膠是雙折射的，因為當塑膠被模塑或擠出時，它們的分子被“冷凍”成拉伸的構象。例如，普通玻璃紙是雙折射的。常規使用偏光鏡來檢測塑膠中的應力，如聚苯乙烯和聚碳酸酯。
棉纖維是雙折射的，因為纖維素的二次細胞壁中的纖維素材料含量很高。
極化光學顯微術通常用於生物組織，因為許多生物材料是雙折射的。在軟骨，肌腱，骨骼，角膜和身體其他幾個區域發現的膠原蛋白是雙折射的，通常用偏光顯微鏡研究。一些蛋白質也是雙折射的，具有雙折射形式。
光纖中不可避免的製造缺陷導致雙折射，這是光纖通信中的脈衝展寬的一個原因。由於施加到光纖上的應力和/或由於光纖的彎曲，這種缺陷可以是幾何形狀（缺少圓形對稱性）。有意引入雙折射（例如，通過使橫截面為橢圓形）以產生偏振保持光纖。
除了電極化性（電磁化率）的各向異性之外，磁極化率（磁導率）的各向異性也可引起雙折射。然而，在光學頻率下，天然材料的磁導率值與
不可測量地不同，所以在實踐中這不是光學雙折射的來源。
套用
醫學
雙折射效套用於醫療診斷。與光學顯微鏡一起使用的強大附屬檔案是一對交叉偏振濾光片。來自源極的光在通過第一偏振片之後在X方向上極化，但是在該樣本之上是在Y方向上取向的偏振器（所謂的分析器）。因此，分析儀不會接受來自光源的光線，並且該場將顯示為暗。然而，具有雙折射的樣品的區域通常將一些X偏振光耦合到Y偏振中；這些區域將會在黑暗的背景下顯得很亮。這種基本原理的修改可以區分正負雙折射。
在該視圖中晶體長軸看作水平的Urate晶體平行於紅色補償濾光器的晶體。這些顯示為黃色，因此呈現負雙折射。
例如，來自痛風關節的液體的針抽吸會顯示出負雙折射的尿酸單鈉晶體。相反，焦磷酸鈣晶體顯示出弱的正雙折射。Urate晶體看起來是黃色的，焦磷酸鈣晶體當它們的長軸平行於紅色補償濾光片的方向排列時，它們看起來是藍色的，或者將已知雙折射晶體添加到樣品中進行比較。
在澱粉樣斑塊中可以觀察到雙折射，例如在用諸如剛果紅染料染色的阿爾茨海默症患者的大腦中發現的。修飾的蛋白質如免疫球蛋白輕鏈異常積累在細胞之間，形成原纖維。這些纖維的多個摺疊排列並呈現β摺疊片狀構象。剛果紅染料插入摺疊之間，當在偏振光下觀察時，會引起雙折射。
在眼科學中，Henle纖維（從中央凹徑向向外的感光軸突）的雙目視網膜雙折射篩選提供了斜視的可靠檢測以及可能的屈光參差性弱視。此外，掃描雷射偏振法利用視神經纖維層的雙折射間接量化其厚度，這在評估和監測青光眼中是有用的。
精子頭中的雙折射特性允許選擇精子進行胞質內精子注射。同樣，zona成像在卵母細胞上使用雙折射來選擇具有最高成功懷孕機率的那些。從肺結節活檢的顆粒的雙折射指示矽肺。
皮膚病學家使用皮膚鏡觀察色素沉著病變和痣。皮膚病患者使用交叉偏振光，允許用戶觀察對應於皮膚中真皮膠原蛋白的結晶結構。這些結構可能表現為閃亮的白線或玫瑰花形狀，僅在極化皮膚鏡下可見。
應力誘導雙折射
各向同性固體不顯示雙折射。 然而，當它們處於機械應力下時，會產生雙折射。 在雙折射塑膠製品在使用注射成型製造後冷卻後，應力可以外部施加或“凍結”。 當這樣的樣品放置在兩個交叉的偏振器之間時，可以觀察到顏色圖案，因為光線的偏振在通過雙折射材料之後旋轉，並且旋轉量取決於波長。 用於分析固體中應力分布的光彈性實驗方法是基於相同的原理。
