У 1669 р датський вчений Еразм Бартолін виявив, що якщо дивитися на який-небудь предмет крізь кристал ісландського шпату, то при певних положеннях кристала і предмета видно відразу два зображення предмета. Це явище назвали явищем подвійного променезаломлення.
Пояснення природи цього явища дав в 1690 р Християн Гюйгенс у своїй роботі «Трактат про світло».
У сучасному трактуванні пояснення природи явища наступне.
Світло, що потрапляє в двулучепреломляющего речовина, ділиться на два плоскополяризоване у взаємно перпендикулярних площинах променя.
У загальному випадку ці промені по-різному поширюються в різних напрямках.
Однак в будь-якому двулучепреломляющего речовині існує одне або два напрямки, уздовж яких обидва променя поширюються з однією швидкістю.
Ці напрямки прийнято називати оптичними осями.
Залежно від кількості осей двулучепреломляющие речовини ділять на одновісні і двоосні. Ми будемо розглядати тільки одновісні двулучепреломляющие речовини.
Важливо відзначити, що напрямки коливань векторів Е плоскополяризоване променів, що виникають всередині двулучепреломляющего речовини, завжди орієнтовані певним чином. У одного з них коливання вектора Е перпендикулярні площині, в якій лежать падаючий промінь і оптична вісь (цю площину прийнято називати головним перетином). У другого - паралельні головному розтину.
Швидкості поширення цих променів залежать від кута між вектором Е і оптичною віссю.
У промені з вектором Е. перпендикулярним головному перетину, кут між Е і оптичною віссю не залежить від кута падіння променя. При будь-яких кутах падіння вектор Е перпендикулярний оптичної осі.
Це означає, що при будь-якому куті падіння він має одну і ту ж швидкість.
Оскільки швидкість світла в речовині пов'язана з показником заломлення цієї речовини, остільки показник заломлення двулучепреломляющего речовини для цього променя також не залежить від кута падіння. Іншими словами, цей промінь поводиться як в звичайної ізотропної середовищі.
Тому його прийнято називати звичайним. Далі вектор Е звичайного променя буде позначатися Ео.
Другий промінь називається незвичайним. оскільки для нього кут між напрямком коливань вектора Її (далі вектор Е незвичайного променя буде позначатися Її) і оптичної віссю залежить від кута падіння (див. малюнок). Отже, при різних кутах падіння він поширюється з різною швидкістю і має різний показник заломлення, що, загалом, надзвичайно.
Нехай на плоскопараллельную пластинку двулучепреломляющего речовини падає плоскополяризоване світло.
Будемо вважати, що промінь світла перпендикулярний поверхні пластинки, а площину коливань вектора Е утворює з оптичною віссю кут a = 45 °.
В цьому випадку площина головного перерізу перпендикулярна поверхні пластинки.
Усередині пластинки падаючий промінь розділиться на два плоскополяризоване променя, один з яких поляризований перпендикулярно оптичної осі (звичайний промінь), а другий - паралельно (незвичайний промінь).
Природно, що на вході до платівки ці промені будуть синфазних.
Усередині пластинки показники заломлення для цих променів мають різні значення (no і ne).
Значить, якщо звичайний і незвичайний промені пройдуть всередині пластинки однакову відстань (наприклад, d - товщину пластинки), то вони вже не будуть синфазними. Вони матимуть різницю фаз Dj, рівну ko (no d - ne d). Тут ko - хвильове число для вакууму.
Якщо різниця фаз променів, що виходять з пластинки, буде кратна 2p, орієнтація площини коливань вектора Е не зміниться. Світло за платівкою буде поляризований так само, як перед нею.
Якщо різниця фаз кратна непарному числу p, площина коливань вектора Е за платівкою повернеться на 90 °, але світло і раніше буде плоскополяризованим.
Якщо різниця фаз дорівнюватиме p / 2, то світло за платівкою виявиться поляризованим по колу. Пластинки такої товщини називають четвертьволновий.
Пропускання поляризованого по колу світла через другу чвертьхвильову пластинку призводить до добавці додаткової різниці фаз в p / 2. Це викличе перетворення поляризованого по колу світла в плоскополяризоване, площину поляризації якого повернута на 90 ° в порівнянні зі світлом, що падає на першу платівку *.
Хвильові поверхні звичайного і незвичайного променів мають різну форму.
У звичайного променя це, природно, сфера - звичайний промінь на всі боки поширюється з однією швидкістю.
У незвичайного ж хвильова поверхня являє собою еліпсоїд - його швидкість для різних напрямків різна.
Оскільки вздовж оптичної осі і звичайна, і незвичайна світлова хвилі поширюються з однією швидкістю, в точках перетину з оптичною віссю їх хвильові поверхні стикаються.
Розглянемо природну світлову хвилю, що падає на поверхню кристалічної двулучепреломляющего пластинки.
Нехай оптична вісь платівки паралельна поверхні пластинки.
Луч природного світла, потрапляючи в точку А. збуджує дві вторинні світлові хвилі - звичайну і незвичайну.
Їх фронти мають вигляд, показаний на малюнку.
Промені вторинних хвиль, збуджених між точками А і В. перпендикулярні хвильовим поверхнях звичайної і незвичайної хвиль, які можна побудувати, проводячи з точки В дотичну до кожної хвильової поверхні, утвореної звичайним і незвичайним променями, що пройшли через точку А.
З показаного на малюнку побудови видно, що звичайна і незвичайна хвилі поширюються всередині кристала в різні боки. На цій властивості заснований ряд методів отримання поляризаційних пристроїв - відсікаючи один з променів (звичайний або незвичайний), можна отримати плоскополяризоване світло.
На закінчення відзначимо, що двулучепреломляющего бувають кристалічні речовини, такі як кварц, ісландський шпат.
Крім цього, двулучепреломляющего можуть бути речовини з несиметричними молекулами, орієнтованими упорядковано уздовж будь-якого напрямку. Це можуть бути рідини і аморфні тіла, в яких орієнтація молекул виникає внаслідок зовнішнього впливу (механічної напруги, впливу зовнішнього електричного або магнітного поля).