方解石などに見られる複屈折と屈折率楕円体の説明
-
複屈折は光が“結晶”に入射した時に起きる現象
電場内あるいは磁場内に置かれた等方性物質（物質の物理的性質が方向によって異ならない）でも起きます。
また、透明な物質を外部からの力で変形させても起きます。 例えば、透明なプラスチックを手で曲げても起きます。
“液晶”も結晶状態になるので、“液晶ディスプレイ”に関係している現象です。 - 結晶に入射する光は、入射角度によって屈折率が異なります。
- 結晶中に 入った光は、互いに振動方向が直交する２つの直線偏光に分かれます。
- 分かれた二つ の光線は“位相速度（注２）”が異なります。
- 複屈折を起こす結晶は、特定の直線偏光を吸収します。
複屈折が簡単に見られる例は、“方解石”を通して物を見ると、その物が二重に見える現象です。
理科や物理の授業でご覧になった方もいらっしゃると思います。これは、方解石が光を入射させた時に２つの屈折光が現れたからです。
結晶中に侵入した光は、原子の規則的配列のために、『互いに直交する２つの平面波（注１）に分かれ、異なった位相速度（注２）で進みます』
互いに直交する２つの平面波ということは、分かれた光は“直線偏光”しているということです。
注１：平面波： 例えば、波の高い点を結んだ線が平行な波。
注２：位相速度：単色光の波面の移動速度 現実に観測される光は色々な波長が混じった合成波なので“群速度”という。
ところで、結晶によっては入射光の角度によって屈折率が違います。
３次元で各方向に対する屈折率で図を作ると、
屈折率楕円体
といわれるものが出来ます。
この楕円体を中心（Ｘ−Ｙ−Ｚ軸の原点）を通る平面で切ると、“真円”になる角度があります。
この平面（円）を含む軸を“光学軸”といいます。
この軸が１つものを“光学的一軸性
”、２つのものを“ 光学的二軸性
”といいます。
屈折率楕円体の図で、屈折率をＸ−Ｙ−Ｚ軸に分解した時の屈折率をそれぞれＮx,Ｎy,Ｎzとすると、 Ｎx=Ｎy＝Ｎz の時、楕円体は球となり複屈折はしません。
立方系の結晶（ダイヤモンド・方鉛鉱・黄鉄鉱など）です。
Ｎx=Ｎy≠Ｎz の時は、“一軸性結晶”で、楕円体の光学軸はＺで、Ｚ軸方向に進行する光は“複屈折”はしません。
他の方向に進む光は、光学軸に直角に振動する光（常光線（注４））と、常光線と垂直に振動する光（異常光線（注４））に分かれます。
方解石、水晶、電気石などです。
Ｎx≠Ｎy≠Ｎz の場合は、光学軸が２つあり、光学軸以外の方向に進む光は“複屈折”しますが、分かれた光線は両方とも“異常光線”です。
雲母などで見られます。
結晶に光を入射させると、直線偏光した特定の光（波長）の吸収も起きます。
この現象は非偏光から偏光を取り出すために使われます。
結晶に入射した光は、常光線と異常光線に分かれますが、屈折率が異なって分かれているので当然“位相差”があります。
光学軸に垂直な結晶断面に直線偏光が垂直に入射すると、常光線と異常光線とに分かれますが、この二つの光線には位相差（屈折率が違う）があるので、射出してきた光線が合成されると位相差により
直線偏光→楕円偏光（円偏光を含む）→直線偏光
に変化します。
この位相差は、結晶の厚さ（光の通過する距離）に比例します。
ですから、結晶状態を変化させられれば、好きな偏光が得られます。
注４：常光線・異常光線
常光線というのは、“スネルの屈折法則”すなわち、
n1×sin(i1) = n2×sin(i2)
n1：入射する前の媒質の屈 折率
n2：入射した媒質の屈折率
i1：入射角
i2：屈折角
の関係式に従う光線。
異常光線は、この法則に従わない