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巴塞林那斯——雙折射現象發(fā)現者

圖    巴塞林那斯

       丹麥物理學家（EBartholinus，1625—1698年）出版了一本關于晶體的小冊子，首次觀察到，當一束光通過方解石晶體時，會分解成兩束光，一束光遵守斯奈爾折射定律，而另一束光卻表現為異常（e）光線，即使光束垂直入射晶體的解理面，在晶體內部，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象。當巴塞林那斯旋轉該晶體時，o光束保持不動，而e光束也隨著晶體的旋轉而旋轉。巴塞林那斯的發(fā)現是晶體學和光學的一個里程碑，從而引起科學家們對材料的各向異性特性的研究和開發(fā)利用。

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

1.各向同性材料和各向異性材料

       晶體的一個重要特征是它的許多特性與晶體的方向有關。因為折射率n=εr，介電質常數εr與電子極化有關，電子極化又與晶體方向有關，所以晶體的折射率與傳輸光的電場方向有關。大部分非晶體材料，例如玻璃和所有的立方晶體是光學各向同性材料，即在每個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，這種材料叫作各向異性晶體，如圖2.3.15所示。1669年，丹麥物理學家巴塞林那斯（EBartholinus）首次觀察到雙折射（DoubleRefraction）現象，如圖2.3.13所示，但是他無法解釋這一現象。

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n1、n2和n3來描述光在各向異性晶體內的傳輸，n1、n2和n3分別表示互相垂直的三個軸x、y和z方向上的折射率。這種晶體具有兩個光學軸，所以也稱為雙軸晶體。當n1=n2時，晶體只有一個光軸，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象，引起偏振模色散（PolarizationModeDispersion，PMD）。