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巴塞林那斯——雙折射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)者

圖    巴塞林那斯

       丹麥物理學(xué)家（EBartholinus，1625—1698年）出版了一本關(guān)于晶體的小冊子，首次觀察到，當(dāng)一束光通過方解石晶體時(shí)，會分解成兩束光，一束光遵守斯奈爾折射定律，而另一束光卻表現(xiàn)為異常（e）光線，即使光束垂直入射晶體的解理面，在晶體內(nèi)部，e光束也以偏離正常的（o）光線而折射。這種想象就是雙折射現(xiàn)象。當(dāng)巴塞林那斯旋轉(zhuǎn)該晶體時(shí)，o光束保持不動，而e光束也隨著晶體的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。巴塞林那斯的發(fā)現(xiàn)是晶體學(xué)和光學(xué)的一個(gè)里程碑，從而引起科學(xué)家們對材料的各向異性特性的研究和開發(fā)利用。

       我們知道當(dāng)光從空氣進(jìn)入水或玻璃時(shí)，就產(chǎn)生折射。但是，當(dāng)偏振光進(jìn)入某些晶體時(shí)，卻會發(fā)現(xiàn)折射光線不只一條，而是兩條。這種現(xiàn)象稱為雙折射，如圖2.3.13所示。下面就來說明為什么會產(chǎn)生雙折射。

1.各向同性材料和各向異性材料

       晶體的一個(gè)重要特征是它的許多特性與晶體的方向有關(guān)。因?yàn)檎凵渎蕁=εr，介電質(zhì)常數(shù)εr與電子極化有關(guān)，電子極化又與晶體方向有關(guān)，所以晶體的折射率與傳輸光的電場方向有關(guān)。大部分非晶體材料，例如玻璃和所有的立方晶體是光學(xué)各向同性材料，即在每個(gè)方向具有相同的折射率。所有其他晶體，如方解石（CaCO3）和LiNbO3，它們的折射率都與傳輸方向和偏振態(tài)有關(guān)，這種材料叫作各向異性晶體，如圖2.3.15所示。1669年，丹麥物理學(xué)家巴塞林那斯（EBartholinus）首次觀察到雙折射（DoubleRefraction）現(xiàn)象，如圖2.3.13所示，但是他無法解釋這一現(xiàn)象。

圖2.3.13一束偏振光入射到方解石晶體上變成兩束偏振光

       可用三種折射率指數(shù)n1、n2和n3來描述光在各向異性晶體內(nèi)的傳輸，n1、n2和n3分別表示互相垂直的三個(gè)軸x、y和z方向上的折射率。這種晶體具有兩個(gè)光學(xué)軸，所以也稱為雙軸晶體。當(dāng)n1=n2時(shí)，晶體只有一個(gè)光軸，稱這種晶體為單軸晶體。在單軸晶體中，n3>n1的晶體（如石英）是正單軸晶體，n3<n1的晶體（如方解石和LiNbO3）稱為負(fù)單軸晶體。

圖2.3.15各向同性晶體和各向異性晶體

a）各向同性晶體b）各向異性晶體

       由于實(shí)際光纖的纖芯折射率并不是各向同性，即n1x≠n1y，所以單模光纖也存在雙折射現(xiàn)象，引起偏振模色散（PolarizationModeDispersion，PMD）。