Двулучепреломление в одноосных кристаллах

Пространственное распределение показателя преломления анизотропной среды можно представить с помощью эллипсоида волновых нормалей, полу­оси которого равны главным значениям показателя преломления (рис. 6.6). Построим сечение этого эллипсоида плоскостью, перпендикулярной волновому вектору k. Это сечение представляет собой эллипс, направления осей которого определяют направления векторов D' и D" двух распространяющихся в кристалле волн, а длины полуосей пропорциональны показателям преломления этих волн. Известно, что любой трехосный эллипсоид имеет два центральных круговых сечения. Направления, перпендикулярные этим сечениям и есть направления оптических осей кристалла.

В одноосном кристалле эллипсоид нормалей превращается в эллипсоид вращения вокруг оси Z, его единственное круговое сечение лежит в плоскости XY. Для одноосных кристаллов принято обозначать главные показатели преломления n_z º n_e, n_x = n_y º n_o.

Если волновой вектор лежит в плоскости XZ, то D' совпадает с осью Y, длина полуоси постоянна и рав­на n_o. Такая волна называется обыкновенной, ее ско­рость не зависит от направления распространения. Длина второй полуоси эллипса меняется от n_o до n_e. Это – необыкновенная волна, ее скорость зависит от направления распро­странения. Плоскость, содержащая оптическую ось Z и вектор k, называется главной плоскостью. Таким образом, вектор поляризации необыкновенной волны лежит в главной плоскости, обыкновенной волны – перпендикулярен главной плоскости. Еще раз подчеркнем, что понятия “обыкновенная” и “не­обыкновенная” волна относятся только к одноосным кристаллам.

На рис. 6.7 представлены эллипсоиды нормалей для двух возможных случаев: а) – скорость обыкновенного луча меньше, чем необыкновенного (n_o > n_e, отрицательный кристалл), и б) –скорость обыкновенного луча больше, чем необыкновенного (n_o < n_e, положительный кристалл). В обоих случаях при последовательном изменении направления луча от k ₁ до k ₅ показатель преломления луча с Y-поляризацией n_o не изменяется. Показатель преломления необыкновенного луча в первом случае уменьшается от n_o до n_e, а во втором – возрастает. Точечной заливкой выделены главные плоскости.

Найдем зависимость фазовой скорости световой волны в одноосном кристалле от направления распространения. Уравнение волновых нормалей (6.6) при V_x = V_y = V_o, V_z = V_e можно переписать в виде

. (6.7)

Направление нормали удобно задавать через угол q с оптической осью. Тогда , и решениями уравнения (6.7) являются

(6.8)

Анализ распространения света в кристаллах и преломления на границах становится наглядным при использовании сечений волновых поверхностей (рис. 6.8). При этом в плоскости рисунка изображаются “мгновенные” сечения волновых фронтов обыкновенной и необыкновенной волн, испущенных точечным источником, помещенным в начало координат. Для первого они сферические, а для второго – представляют овалоид вращения, описываемый вторым уравнением (6.8). Направление, в котором эти сечения совпадают (т. е. обыкновенная и необыкновенная волны распространяются с одинаковой скоростью V_o), и является оптической осью кристалла.