Двойное лучепреломление. 
Физика

Из теории Максвелла для анизотропных сред следует интересное следствие. Некоторые кристаллы обладают свойством двойного лучепреломления. Это свойство проявляется в раздваивании падающего на кристалл луча и тесно связано с поляризацией света. Впервые оно наблюдалось в кристаллах исландского шпата СаСО_э. Направление, в котором не наблюдается двойного лучепреломления, называется оптической осью кристалла. Кристаллы, у которых такое выделенное направление является единственным, называются одноосными. К одноосным кристаллам принадлежат также кварц и турмалин. Бывают также двуосные кристаллы.

Рис. 28.2.

Если через кристалл, обладающий указанным свойством, смотреть на окружающие предметы, то каждый предмет будет раздваиваться. Особенностью двойного лучепреломления является то, что один из преломленных лучей, называемый обыкновенным лучом, подчиняется закону преломления: его показатель преломления не зависит от угла падения, а падающий и преломленный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным к отражающей плоскости в точке падения. Другой луч, называемый необыкновенным лучом, этому закону не подчиняется. Даже при нормальном падении света на поверхность кристалла необыкновенный луч обычно меняет при преломлении направление движения (рис. 28.2). Точками (перпендикулярно плоскости рисунка) и жирными короткими стрелками (параллельно плоскости рисунка) на рисунке показано направление плоскости поляризации лучей, а пунктиром — направление оптической оси кристалла. Оба преломленных луча плоскополяризованы, причем их плоскости поляризации взаимно перпендикулярны.

Двойное лучепреломление объясняется тем, что из-за анизотропии кристалла распространяющийся в нем свет имеет две характерные фазовые скорости. Если колебания в световой волне происходят параллельно оптической оси, то свет распространяется с одной скоростью. А если колебания идут в перпендикулярной оптической оси плоскости, то фазовая скорость другая. Для обыкновенной волны плоскость колебаний всегда перпендикулярна оптической оси, поэтому она имеет одинаковые скорость v₀ и показатель преломления п₀ по всем направлениям:

А необыкновенную волну можно разбить на составляющие с колебаниями вдоль и поперек оптической оси и с разной фазовой скоростью. При этом при распространении вдоль оптической оси скорость необыкновенной волны равна скорости обыкновенной (28.5). А при распространении в направлениях поперек оптической оси скорость необыкновенной волны наиболее сильно отличается от (28.5) и определяется показателем преломления п_е необыкновенного луча:

Ход обыкновенных и необыкновенных лучей удооно представить с помощью волновых поверхностей. Предположим, что внутри кристалла произошли две вспышки, давшие начало распространению во всех направлениях обыкновенной и необыкновенной волн. Тогда на основании вышеприведенных рассуждений можно понять, что волновая поверхность обыкновенной волны задается сферой. В свою очередь, волновая поверхность необыкновенной волны задается эллипсоидом. При этом одна из осей эллипсоида равна диаметру сферы. Если эллипсоид вписан в сферу wv_e< v₀, то такой кристалл называется положительным. Если эллипсоид описан вокруг сферы и v_e > v₀, то такой кристалл называется отрицательным. Например, кристалл исландского шпага является отрицательным, причем п_е= 1,49 и я₀ = 1,66.

Обыкновенный и необыкновенный лучи обычно слишком мало разведены в пространстве, и это затрудняет непосредственное использование двойного лучепреломления для изготовления поляризаторов. Приходится делать специальное устройство, называемое призмой Николя (сокращенно — николь). Оно состоит из двух прямоугольных призм из исландского шпата, склеенных слоем канадского бальзама (рис. 28.3). Обыкновенный луч сильнее преломляется, чем необыкновенный, и на границе исландский шпат — канадский бальзам испытывает полное внутреннее отражение, уходя в сторону и поглощаясь черненой поверхностью. Поэтому только необыкновенный луч проходит призму, давая плоскополяризованный луч. Вторая призма имеет вспомогательное значение и лишь спрямляет образованный луч по отношению к входящему лучу.

Рис. 28.3.