การหักเหสองแนว

การหักเหที่ต่างกันของแสงที่มีแนวโพลาไรเซชันตั้งฉากกันทำให้แสงแยกเป็นสองส่วน

เมื่อผ่านผลึกแคลไซต์ ลายด้านหลังจะดูเหมือนจะแยกเป็นสองส่วน

การหักเหสองแนว (birefringence) คือการแยกลำแสงออกเป็นสองลำแสง โดยขึ้นอยู่กับสถานะโพลาไรเซชัน เมื่อส่องผ่านวัสดุบางอย่าง (เช่น ผลึกที่เรียกว่าแคลไซต์) โดยลำแสงทั้งสองนั้นจะเรียกว่า รังสีสามัญ (ordinary) และ รังสีวิสามัญ (extraordinary) และมีทิศทางของโพลาไรเซชันที่แตกต่างกัน (ทิศทางของเวกเตอร์สนามไฟฟ้า) ตามแกนเชิงแสงของผลึก ปรากฏการณ์นี้อธิบายได้ว่าเกิดจากการที่ดรรชนีหักเหของแสงแตกต่างกันเป็นสองค่าสำหรับการวางแนวโพลาไรเซชันแต่ละแบบ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความเร็วของแสงเมื่อผ่านสสารจะขึ้นอยู่กับทิศทางของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าของแสงที่ผ่านสสาร ปรากฏการณ์นี้ได้ถูกอธิบายเป็นครั้งแรกโดยราสมุส บาร์โทลิน แพทย์ชาวเดนมาร์ก ในปี 1669 หลักการนี้สามารถถูกใช้เพื่อสร้างโพลาไรเซอร์สำหรับแยกแสงโพลาไรซ์คนละแนวออกจากกันได้

ทฤษฎี

การหักเหสองแนวนั้นวัดปริมาณได้ดังนี้

$\Delta n=n_{e}-n_{o}$

ที่นี่ $n_{o}$ เป็นดรรชนีหักเหของรังสีสามัญ $n_{e}$ เป็นดัชนีการหักเหของรังสีวิสามัญ ดรรชนีหักเหของรังสีทั้งสองจะเท่ากันเมื่อรังสีตกกระทบตามแกนเชิงแสงของผลึก ดรรชนีหักเหของรังสีสามัญไม่ได้ขึ้นอยู่กับมุมของแสงที่ตกกระทบที่ทำกับแกนเชิงแสงของผลึก ในทางกลับกัน ดัชนีการหักเหของแสงสำหรับวิสามัญจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับมุมของแสงที่ตกกระทบตามแกนเชิงแสงของผลึก และจะมีค่าสูงสุดเมื่อมุมตกกระทบตั้งฉากกับแกนเชิงแสงของผลึก

โดยทั่วไปแล้ว เราอธิบายสภาพยอมของไดอิเล็กตริกแบบแอนไอโซทรอปิกด้วยเทนเซอร์ อันดับสอง (เมทริกซ์ 3x3) วัสดุที่มีคุณสมบัติการหักเหสองแนวเป็นกรณีพิเศษซึ่งมีเทนเซอร์สภาพยอม $\varepsilon$ เป็นเมตริกซ์ทแยงมุมโดยมีค่าเป็น $n_{o}^{2}$, $n_{o}^{2}$ และ $n_{e}^{2}$ (หรืออาจพิจารณาว่าทิศทางการแพร่กระจายของแสงคงที่ คิดเพียงสองแกนที่เหลือ) นั่นคือ

$\mathbf {\varepsilon } =\varepsilon _{0}{\begin{bmatrix}n_{o}^{2}&0&0\\0&n_{o}^{2}&0\\0&0&n_{e}^{2}\end{bmatrix}}$

โดยในที่นี้ $\varepsilon _{0}$ คือสภาพยอมในสุญญากาศ

โดยหลักการแล้ว การหักเหสองแนวสามารถเกิดขึ้นได้ไม่เฉพาะในวัสดุไดอิเล็กตริกเท่านั้น แต่ยังเกิดในวัสดุที่มีความเป็นแม่เหล็กด้วย แต่สภาพให้ซึมผ่านได้ทางแม่เหล็กในบริเวณความถี่ของแสงแทบจะไม่เปลี่ยนแปลง

กระดาษแก้วเป็นตัวอย่างของวัสดุหักเหสองแนวที่มีราคาไม่แพงและหามาได้ง่าย

ในการตรวจสอบว่าทรงกลมควอตซ์ เป็นของจริงแท้หรือไม่ ให้ตรวจสอบโดยพิจารณาที่การหักเหสองแนว โดยในกรณีของควอตซ์ตามธรรมชาติ เค้าโครงของทิวทัศน์เมื่อมองทะลุผ่านจะดูเบลอ ๆ เนื่องจากเกิดการหักเหสองแนว ดังนั้นแล้วแม้ว่าวัสดุจะโปร่งใส แต่หากมองเห็นเส้นขอบได้อย่างชัดเจนโดยไม่เบลอ ก็สามารถแยกแยะได้ว่าเป็นวัสดุที่ไม่เกิดการหักเหสองแนว เช่น แก้ว ไม่ใช่ควอตซ์

การหักเหสองแนวจากวัสดุที่ไม่เป็นแอนไอโซทรอปิก

โดยทั่วไปแล้วการหักเหสองแนวจะเกิดขึ้นจากผลึกแอนไอโซทรอปิก แต่ในวัสดุไอโซทรอปิกก็อาจถูกทำให้เกิดการหักเหสองแนวขึ้นได้ด้วยวิธีดังต่อไปนี้

• ความยืดหยุ่นเชิงแสง: เกิดขึ้นจากการสูญเสียความเป็นไอโซทรอปิกของระบบเมื่อโดนแรงกระทำจนเสียรูป (ยืดหรืองอ)
• การหมุนเชิงแสง: เกิดขึ้นเมื่อความบริสุทธิ์เชิงแสงเกิดความเอนเอียงในสารละลายของโมเลกุลที่มีผลกระทบต่อแสง
• ปรากฏการณ์เคอร์: เกิดการหักเหสองแนวขึ้นตามสัดส่วนกำลังสองของสนามไฟฟ้าในวัสดุไอโซทรอปิกเมื่อโดนสนามไฟฟ้าความเข้มสูงจากภายนอก
• ปรากฏการณ์ฟาราเดย์: เกิดการหมุนเชิงแสงขึ้นจากการใช้ให้สนามแม่เหล็กกับวัสดุไอโซทรอปิก ใช้งานได้ดีในทางทัศนศาสตร์ เนื่องจากเมื่อได้รับสนามแม่เหล็ก ดัชนีการหักเหของแสงสำหรับแสงโพลาไรซ์เชิงวงกลมหมุนซ้ายนั้นแตกต่างจากค่าดัชนีของแสงโพลาไรซ์แบบวงกลมหมุนขวา ปรากฏการณ์นี้จะหายไปทันทีที่สนามแม่เหล็กหายไป