巴塞林那斯——双折射现象发现者

图    巴塞林那斯

       丹麦物理学家（EBartholinus，1625—1698年）出版了一本关于晶体的小册子，首次观察到，当一束光通过方解石晶体时，会分解成两束光，一束光遵守斯奈尔折射定律，而另一束光却表现为异常（e）光线，即使光束垂直入射晶体的解理面，在晶体内部，e光束也以偏离正常的（o）光线而折射。这种想象就是双折射现象。当巴塞林那斯旋转该晶体时，o光束保持不动，而e光束也随着晶体的旋转而旋转。巴塞林那斯的发现是晶体学和光学的一个里程碑，从而引起科学家们对材料的各向异性特性的研究和开发利用。

       我们知道当光从空气进入水或玻璃时，就产生折射。但是，当偏振光进入某些晶体时，却会发现折射光线不只一条，而是两条。这种现象称为双折射，如图2.3.13所示。下面就来说明为什么会产生双折射。

1.各向同性材料和各向异性材料

       晶体的一个重要特征是它的许多特性与晶体的方向有关。因为折射率n=εr，介电质常数εr与电子极化有关，电子极化又与晶体方向有关，所以晶体的折射率与传输光的电场方向有关。大部分非晶体材料，例如玻璃和所有的立方晶体是光学各向同性材料，即在每个方向具有相同的折射率。所有其他晶体，如方解石（CaCO3）和LiNbO3，它们的折射率都与传输方向和偏振态有关，这种材料叫作各向异性晶体，如图2.3.15所示。1669年，丹麦物理学家巴塞林那斯（EBartholinus）首次观察到双折射（DoubleRefraction）现象，如图2.3.13所示，但是他无法解释这一现象。

图2.3.13一束偏振光入射到方解石晶体上变成两束偏振光

       可用三种折射率指数n1、n2和n3来描述光在各向异性晶体内的传输，n1、n2和n3分别表示互相垂直的三个轴x、y和z方向上的折射率。这种晶体具有两个光学轴，所以也称为双轴晶体。当n1=n2时，晶体只有一个光轴，称这种晶体为单轴晶体。在单轴晶体中，n3>n1的晶体（如石英）是正单轴晶体，n3<n1的晶体（如方解石和LiNbO3）称为负单轴晶体。

图2.3.15各向同性晶体和各向异性晶体

a）各向同性晶体b）各向异性晶体

       由于实际光纤的纤芯折射率并不是各向同性，即n1x≠n1y，所以单模光纤也存在双折射现象，引起偏振模色散（PolarizationModeDispersion，PMD）。