Кристалічна Оптика та Бірефрентність: Коли Світло Розділяється на Два

Оптична анізотропія та кристалічна симетрія

У ізотропних середовищах, таких як скляночевики, швидкість світла однакова незалежно від напрямку поширення та поляризації, і один показник заломлення n повністю описує середовище. Однак багато кристалів є оптично анізотропними: атоми розташовані нерівномірно вздовж різних кристалічних осей, тому сили відновлення на зв’язаних електронах – і, відповідно, показник заломлення – залежать як від напрямку поширення, так і від поляризації світла. Кубічні кристали (діамант, гіпс) залишаються ізотропними з одним показником; тригональні, тетрагональні та гексагональні кристали є оніоксичними з двома головними показниками no і ne; ортороombicні, моноклінічні та триклінічні кристали є біоніоксичними з трьома.

Звичайні та надзвичайні промені

Коли нездійснене світло входить у спін-кристалі під похилим кутом, воно ділиться на два розсіяних промені. Звичайний промінь (o-промінь) точно дотримується закону Снелла, з кулястими фронтами хвилі та показником заломлення №. Надзвичайний промінь (e-промінь) не дотримується закону Снелла у звичному вигляді – його індекс ne(θ) безперервно змінюється залежно від кута θ між променем і оптичною віссю, а фронти хвилі є еліпсоїдними. Обидва промені поляризовані перпендикулярно один до одного та виходять з кристала на незначно різних позиціях, створюючи знамените подвоєне зображення кальциту.

1/n_e(θ)² = cos²(θ)/n_o² + sin²(θ)/n_e²

Calcite:  n_o = 1.6584, n_e = 1.4864  →  Δn = -0.172 (negative uniaxial)
Quartz:   n_o = 1.5443, n_e = 1.5534  →  Δn = +0.009
Rutile:   n_o = 2.616,  n_e = 2.903   →  Δn = +0.287

Оптична вісь та кольори затримання

Оптична вісь – це одна кристалічна спрямованість, вздовж якої обидва поляризаційні стани рухаються з однаковою швидкістю, тому бірефрентність точно зникає саме в цьому напрямку. Коли між перехресними поляризаторами розміщують призму (пластину) певної товщини d, накопичена різниця шляхів Γ = (n₀ − nₛ)·d = Δn·d відбирає певні довжини хвиль для проходження, а інші – вимикає, створюючи яскраві кольори Мішель-Лев'ї, які використовуються петрографами для ідентифікації мінералів. Кольори прогресують від першого порядку (сірого та жовтого) через друге (зеленого та рожевого), збільшуючись затриманням, поступово згасаючи до пастельних вищих порядків.

Пластини хвилі: перетворення між станами поляризації

Пластина хвилі – це оброблений бісквіт з оптичного осягу, який лежить на поверхні пластини. Четвертна пластина вводить затримку Γ = λ/4 (90°), перетворюючи лінійну поляризацію під кутом 45° до осі на колову поляризацію – використовується в оптичних ізоляторах та задніх панелях LCD. Північна пластина вводить зміщення на 180° і обертає площину лінійної поляризації у два рази від кута орієнтації пластини, що є інструментом для регулювання поляризації лазера без втрат від відбиття. Дві бісквітні призми, склеєні з перпендикулярними осями, утворюють волластовий призм, який є основою дифференциального інтерференційного мікроскопії.

Від пікселів LCD до ідентифікації мінералів

Кожен піксель спірально-нематичного LCD є вольт-контрольованим біспріменною ячейкою між перехрещеними поляризаторами. Поляризуючий мікроскопія використовує кольори інтерференції та коноскопні фігури для ідентифікації мінералів, що утворюють породи, та картинг кристалічної орієнтації. Нелінійні оптичні кристали (KDP, KTP, BBO) використовують біспріменність для генерування другої гармоніки фази, перетворюючи інфрачервоне лазерне світло на видиме або ультрафіолетове. Аморфне скло та пластики стають біспріменими під дією механічного напруження – фотооптикою, дозволяючи інженерам візуалізувати концентрацію напружень безпосередньо, а подвійне зображення, що видно через фасеточные сторони коштовності, є стандартною діагностичною методикою в ювелірній справі.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.