双折射，也被称为双重折射，是一种现象，当光线通过某些材料时，会被分成两条光线，每条光线的折射率不同。这种效应是由丹麦科学家Rasmus Bartholin在17世纪首次发现的，此后它在光学领域得到了广泛的研究。

光是一种电磁波，它含有在不同方向上振荡的电场和磁场。如果光的电场在一个以上的方向上振动，它被称为非偏振光，如果电场振动在一个与光束方向平行或垂直的平面上，它就是偏振光。偏振滤光片是用来将非偏振光转换成偏振光的。

双折射是材料的一种光学特性，其折射率取决于光的偏振和传播方向。它是一种双折射的现象。在双折射中，当非偏振光通过双折射材料时，它被分成两条光线。一条射线的偏振方向与材料的光轴垂直，这条射线被称为普通射线或O射线，另一条射线的偏振方向与晶体的光轴垂直，这条射线被称为特殊射线或E射线。O射线产生的静止图像遵守折射定律，而E射线产生的非凡图像不遵守折射定律。


图1：晶体内的双折射现象

双折射发生在具有非各向同性的晶体结构的材料中，这意味着材料的属性在所有方向上都不相同。这些类型的材料被称为各向异性的材料。当光进入这种材料时，它被分成两条光线，其中一条遵循正常的折射规律，而另一条由于折射率不同而以不同的角度被折射。然后，这两条光线可能以不同的速度和不同的偏振来传播，从而产生各种光学效应。图1显示了在晶体内发生的双折射现象。

表现出双折射的最常见的材料之一是方解石，这是一种常见于岩石和矿物中的碳酸钙的形式。当一束光进入方解石晶体时，它被分成两条光线，其中一条直线穿过晶体，而另一条则弯曲了一个角度。当方解石晶体被放置在图像上时，可以看到这种效果，使图像显得加倍。石英、电气石等是其他一些表现出双折射的各向异性材料。

双折射的另一个例子可以在偏光镜中看到，偏光镜通常用于摄影和其他应用，以阻挡某些波长的光。偏光滤光片由一种材料组成，这种材料被拉伸成网格状结构，使材料成为各向异性并表现出双折射。当光线通过过滤器时，它被分成两条光线，其中一条被过滤器阻挡，而另一条则被允许通过。这种效果可以用来选择性地过滤掉某些颜色或波长的光，使摄影师和其他用户能够创造出独特的视觉效果。

双折射晶体的类型

正双折射晶体和负双折射晶体是两类各向异性的材料，它们对沿不同轴线传播的光波具有不同的折射率。


图3：通过正、负双折射晶体的波阵图

负晶体是指在除光轴以外的所有方向上，E射线的折射率比O射线的折射率要小。这导致电子射线的传播速度比O射线快。负晶体的例子包括方解石、电气石和红宝石。在这些晶体中，球形的O射线位于E射线内。

另一方面，正晶体是那些O射线的折射率小于E射线的晶体。在正晶体中，O射线的速度大于或等于E射线的速度，而E射线位于O射线内。石英、蛇纹石和金红石是正晶体的例子。图2显示了通过正极和负极单轴晶体的波前图像。

应用 

双折射在科学、技术和工业方面有许多实际应用。它被用于生产偏振滤光片，以及制造光学仪器，如偏振仪和光谱仪。双折射材料也被用于研究矿物，因为它们的光学特性可以用来识别不同类型的晶体。


偏振片是双折射最常见的应用。这些滤光片被用于许多光学仪器，如照相机和显微镜，以减少眩光和提高图像的清晰度。偏光滤光片的工作原理是阻挡光的两个偏振成分中的一个，而滤光片中使用的双折射材料的方向是为了达到这种效果。

双折射的另一个应用是在LCD屏幕上。液晶显示器使用的液晶是双折射的，在施加电场时可以改变其折射率。通过控制液晶的方向，液晶屏可以控制通过屏幕的光线的强度和偏振，从而显示图像和视频。

双折射也被用于光通信系统，如光纤电缆。这些电缆利用全内反射传输光信号，而双折射材料被用来保持传输光的偏振。通过保持偏振不变，信号可以以最小的失真进行传输，从而使通信更加可靠。

偏光显微镜是一种利用双折射来研究材料特性的技术。在这种技术中，偏振光通过一个样品，材料的双折射特性使光分裂成两个偏振成分。通过分析产生的图像，研究人员可以了解被研究材料的结构、方向和其他属性。

双折射也被用于生物医学成像技术，如光学相干断层成像（OCT）和偏振光成像（PLI）。OCT使用双折射材料来生成体内组织和结构的详细图像，而PLI可用于研究生物组织中纤维的方向和排列，如肌肉和软骨。