Кіріспе
Жарық поляризациясына және бағытына байланысты сындыру көрсеткішіне ие материалдардың қасиеттері. Бирефрингенция – жарықтың поляризациясы мен таралу бағытына байланысты сындыру көрсеткішіне ие материалдың оптикалық қасиеті. Бұл оптикалық анизотроптық материалдар бирефрингентті немесе бирефрактивті деп сипатталады. Бирефрингенция көбінесе материалдың көрсететін сындыру көрсеткіштері арасындағы максималды айырмашылық ретінде өлшенетін шама. Текше кристалдық құрылымдары жоқ кристалдар көбінесе бирефрингентті болады, сондай-ақ механикалық кернеуге ұшыраған пластиктер де. Бирефрингенция қос сындыру құбылысы үшін жауапты, яғни жарық сәулесі бирефрингентті материалға түскен кезде поляризация арқылы екі сәулеге бөлініп, сәл әртүрлі жолдармен өтеді. Бұл әсерді алғаш 1669 жылы даниялық ғалым Расмус Бартолин сипаттаған, ол оны Исландия шпатында (кальцитте) байқаған, ол ең күшті бирефрингенцияға ие кристалдардың бірі. 19 ғасырда Августин Жан Френель бұл құбылысты поляризация тұрғысынан сипаттап, жарықты көлденең поляризациядағы өріс компоненттері бар толқын ретінде түсіндірді (толқын векторының бағытына перпендикуляр).
Birefringence is the optical property of a material having a refractive index that depends on the polarization and propagation direction of light. These optically anisotropic materials are described as birefringent or birefractive. The birefringence is often quantified as the maximum difference between refractive indices exhibited by the material. Crystals with non cubic crystal structures are often birefringent, as are plastics under mechanical stress. Birefringence is responsible for the phenomenon of double refraction whereby a ray of light, when incident upon a birefringent material, is split by polarization into two rays taking slightly different paths. This effect was first described by Danish scientist Rasmus Bartholin in 1669, who observed it in Iceland spar (calcite) crystals which have one of the strongest birefringences. In the 19th century Augustin Jean Fresnel described the phenomenon in terms of polarization, understanding light as a wave with field components in transverse polarization (perpendicular to the direction of the wave vector).
Түсіндірме
Төменде екі қырлы ортадағы толқын таралуының математикалық сипаттамасы келтірілген. Одан кейін осы құбылыстың сапалық түсіндірмесі берілген.
Бір осьті материалдар
Бір бұзылудың ең қарапайым түрі - униаксиалды, яғни оптикалық анизотропияны басқаратын бір ғана бағыт бар, ал оған перпендикуляр (немесе белгілі бір бұрышта) барлық бағыттар оптикалық жағынан тең. Сондықтан материалды осы ось бойынша айналдыру оның оптикалық мінез-құлқын өзгертпейді. Бұл ерекше бағыт материалдың оптикалық осі деп аталады. Оптикалық оське параллель таралатын жарық (поляризациясы оптикалық оське әрқашан перпендикуляр) оның нақты поляризациясына қарамастан, no рефракциялық индексімен (“қалыпты”) реттеледі. Басқа таралу бағыты бар сәулелер үшін оптикалық оське перпендикуляр бір сызықтық поляризациясы бар, ал сол поляризациясы бар сәуле қалыпты сәуле деп аталады және сол сындыру индексінің мәнімен реттеледі. Бір бағытта таралатын, бірақ қалыпты сәулеге перпендикуляр поляризациясы бар сәуле үшін поляризация бағыты ішінара оптикалық оське (паралель) бағытта болады және бұл ерекше сәуле басқа, бағытқа тәуелді сыну индексімен реттеледі. Рефракция индексі поляризацияға байланысты, өйткені поляризацияланбаған жарық бір осьті екі бұрылыс материалға кіргенде, ол әр түрлі бағытта қозғалатын екі сәулеге бөлінеді, біреуі қалыпты сәуленің поляризациясы, екіншісі ерекше сәуленің поляризациясы. Қалыпты сәуле әрқашан no рефракциялық индексін көрсетеді, ал ерекше сәуленің рефракциялық индексі no мен ne аралығында болады, бұл индекс эллипсоидпен сипатталған сәуле бағытына байланысты. Айырманың шамасы екі бұрылыспен өлшенеді. Қалыпты сәуленің таралуы (оның үзілу коэффициенті) екі бұрылыс болмағандай жай ғана сипатталады. Ерекше сәуле, аты айтып тұрғандай, изотроптық оптикалық материалдағы кез келген толқыннан өзгеше таралады. Оның бетіндегі сынуы (және шағылысуы) тиімді рефракция индексі (no мен ne арасындағы мән) арқылы түсіндірілуі мүмкін. Оның қуат ағыны (Пойтинг векторымен берілген) толқын векторының бағытында дәл емес. Бұл сәуледе қосымша ауытқу тудырады, тіпті қалыпты жағдайда ұшырылса да, жоғарыда суреттелгендей кальцит кристаллын қолдану арқылы кеңінен байқалады. Кальцит кристаллын айналдыру екі суреттің біріне, ерекше сәулеге, айналуға себеп болады, ал қалыпты сәуле бекітілген күйде қалады. Жарық оптикалық ось бойымен немесе оған перпендикуляр тараған кезде мұндай бүйірлік ауытқу болмайды. Бірінші жағдайда екі поляризация да оптикалық оське перпендикуляр және бірдей тиімді рефракция индексін көрсетеді, сондықтан ерекше сәуле жоқ. Екінші жағдайда ерекше сәуле басқа фазалық жылдамдықпен таралады (ne-ге сәйкес келеді), бірақ қуат ағыны әлі де толқын векторының бағытында болады. Оптикалық бетке параллель оське ие кристалл толқынды жасау үшін қолданылуы мүмкін, онда суреттің бұрмалануы болмайды, бірақ кіріс толқынның поляризациялық күйін қасақана өзгертуге болады. Мысалы, ширек толқындық пластинка сызықтық поляризацияланған көзден дөңгелек поляризация жасау үшін қолданылады.
The propagation (as well as reflection coefficient) of the ordinary ray is simply described by no as if there were no birefringence involved. The extraordinary ray, as its name suggests, propagates unlike any wave in an isotropic optical material. Its refraction (and reflection) at a surface can be understood using the effective refractive index (a value in between no and ne). Its power flow (given by the Poynting vector) is not exactly in the direction of the wave vector. This causes an additional shift in that beam, even when launched at normal incidence, as is popularly observed using a crystal of calcite as photographed above. Rotating the calcite crystal will cause one of the two images, that of the extraordinary ray, to rotate slightly around that of the ordinary ray, which remains fixed. When the light propagates either along or orthogonal to the optic axis, such a lateral shift does not occur. In the first case, both polarizations are perpendicular to the optic axis and see the same effective refractive index, so there is no extraordinary ray. In the second case the extraordinary ray propagates at a different phase velocity (corresponding to ne) but still has the power flow in the direction of the wave vector. A crystal with its optic axis in this orientation, parallel to the optical surface, may be used to create a waveplate, in which there is no distortion of the image but an intentional modification of the state of polarization of the incident wave. For instance, a quarter wave plate is commonly used to create circular polarization from a linearly polarized source.
Биаксиалдық материалдар
Биаксиалдық кристаллдардың жағдайы әлдеқайда күрделі. Бұларға кристаллдың үш негізгі осьтеріне сәйкес келетін үш сыну индексі тән. Көптеген сәуле бағыттары үшін екі поляризация да ерекше сәулелер ретінде жіктеледі, бірақ әртүрлі тиімді сыну индекстерімен. Ерекше толқындар болғандықтан, күш ағынының бағыты екі жағдайда да толқын векторының бағытымен сәйкес келмейді. Екі сыну индексін поляризацияның берілген бағыттары үшін индекс эллипсоидтарын пайдалану арқылы анықтауға болады. Назар аударыңыз, екі осьті кристалдар үшін индекс эллипсоид айналу эллипсоиды ("сфероид") емес, nα, nβ және nγ үш тең емес принциптік сыну индекстерімен сипатталады. Осылайша, айналу оптикалық қасиеттерді өзгермейтін ось жоқ (индекстік эллипсоиды сфероид болатын униаксиалдық кристаллдарда бар). Симметрия осі болмаса да, екі оптикалық ось немесе бинормаль бар, олар жарық екі бұрылыссыз таралуы мүмкін бағыттар ретінде анықталады, яғни толқын ұзындығы поляризацияға тәуелсіз бағыттар.) берілген жағдайда баяу сәуле. Бұл материалдың жұқа плитасын қалыпты түсу бұрышымен пайдаланып, толқындық пластинаны іске асыруға болады. Бұл жағдайда поляризациялар арасында кеңістіктік бөліну болмайды, параллель поляризациядағы толқынның фазасы (баяу сәуле) перпендикулярлы поляризацияға қатысты кешігеді. Осы бағыттар толқындық пластинаның баяу және жылдам осьтері деп аталады.
Оң немесе теріс
Бір осьті қос сыну оң деп жіктеледі, егер ерекше сыну индексі ne, қалыпты сыну индексі no-ден артық болса. Теріс қос сыну, ne-нің нөлден кем екенін білдіреді. Басқаша айтқанда, жылдам (немесе баяу) толқынның поляризациясы, кристаллдың қос сынуы оң (немесе теріс) болған кезде оптикалық оське перпендикуляр болады. Екі осьті кристаллдар үшін барлық үш негізгі осьтің сыну индекстері әртүрлі болғандықтан, бұл белгілеуге қолданылмайды. Бірақ, кез келген анықталған сәуле бағыты үшін, жылдам және баяу сәулелердің поляризациясын анықтауға болады.
Оптика құрылғылары
Бирефрингенция көптеген оптикалық құрылғыларда қолданылады. Сұйық кристалды дисплейлер, ең көп таралған жазық панельді дисплейлер, экран бетіндегі поляризациялық табақ арқылы қарағанда, сызықты поляризацияланған жарықтың поляризациясының (дөңгелек бирефрингенция) айналуы арқылы пиксельдерін ашық немесе қараңғырақ етуге мүмкіндік береді. Сол сияқты, жарық модуляторлары поляризацияланған жарықтың электрлік түрде туындаған бирефрингенциясы арқылы жарық интенсивтілігін модуляциялайды, одан кейін поляризатор қолданылады. Лиот фильтрі – толқын ұзындығының бирефрингенцияға тәуелділігін пайдаланатын арнайы тар спектрлі фильтр. Толқындық пластиналар – жарықтан өтетін жарықтың поляризациялық күйін өзгерту үшін қолданылатын жұқа бирефрингентті табақтар, және олар белгілі бір оптикалық жабдықтарда кеңінен қолданылады. Жоғары өткізгіштігі бар поляризаторларды жасау үшін Glan-Thompson призмасы, Glan-Taylor призмасы және басқа да түрлері сияқты құрылғыларда бирефрингентті кристалдар қолданылады. Бұл мақсаттар үшін қабатталған бирефрингентті полимерлік табақтарды да пайдалануға болады. Бирефрингенция екінші гармоникалық генерация және басқа да сызықты емес оптикалық процестерде маңызды рөл атқарады. Бұл мақсаттар үшін қолданылатын кристалдар көбінесе бирефрингентті болады. Түсіру бұрышын реттеу арқылы ерекше сәуленің тиімді сындыру индексін өзгертуге болады, бұл осы құрылғылардың тиімді жұмыс істеуі үшін қажетті фазалық үйлесімділікті қамтамасыз етеді.
Медицина
Бирефрингенция медициналық диагностикада қолданылады. Оптикалық микроскоптарда қолданылатын қуатты құралдардың бірі – жарықтандырылған поляризациялық сүзгілер жұбы. Жарық көзінен шыққан сәуле бірінші поляризатордан өткеннен кейін x бағытында поляризацияланады, бірақ үлгінің үстінде y бағытында орналасқан поляризатор (анализатор деп аталады) орналасқан. Сондықтан, анализатор жарық көзінен ешқандай жарықты қабылдамайды және көрініс қараңғы болып көрінеді. Үлгіде бирефрингенцияға ие аймақтар әдетте x поляризацияланған жарықтың бір бөлігін y поляризациясына түрлендіреді; мұндай аймақтар қараңғы фонға қарсы жарық болып көрінеді. Бұл негізгі принципті өзгерту арқылы оң және теріс бирефрингенцияны ажыратуға болады. Мысалы, ісік буыннан сұйықтықты инемен алу теріс бирефрингенциялы мононатрий урат кристалдарын көрсетеді. Ал кальций пирофосфаты кристалдары нашар оң бирефрингенцияны көрсетеді. Урат кристалдары сары, ал кальций пирофосфаты кристалдары олардың ұзын осі қызыл компенсатор сүзгісіне параллель орналасқанда немесе салыстыру үшін үлгіге белгілі бирефрингенциялы кристалл қосылғанда көк түсті болып көрінеді. Тірі адамның жамбас сүйегіндегі тіндердің бирефрингенциясы 1310 нм толқын ұзындығындағы поляризацияға сезімтал оптикалық когерентті томография және инедегі бір талшықты қолдану арқылы өлшенді. Скелеттік бұлшық еттерінің бирефрингенциясы Δn = 1,79 × 10−3 ± 0,18×10−3, майлы тіндердің Δn = 0,07 × 10−3 ± 0,50 × 10−3, беттік апоневроздың Δn = 5,08 × 10−3 ± 0,73 × 10−3 және интерстициалдық тіндердің Δn = 0,65 × 10−3 ±0,39 × 10−3 болды. Бұл өлшемдер Дюшеннің бұлшықет дистрофиясын диагностикалаудың аз инвазивті әдісін әзірлеу үшін маңызды болуы мүмкін. Бирефрингенцияны Альцгеймер ауруымен ауыратын науқастардың миында кездесетін амилоидтық плакаттарда, мысалы, Конго қызылымен боялғанда байқауға болады. Иммуноглобулиннің жеңіл тізбектері сияқты өзгертілген ақуыздар клеткалар арасында жинақталып, фибрилдерді құрайды. Бұл талшықтардың көптік бүктелуі бета-парақ пішінін қабылдайды. Конго қызылы бояуы бүктелулер арасына еніп, поляризацияланған жарық астында қарастырылғанда бирефрингенцияны тудырады. Офтальмологияда Хенле талшықтарының (фовеядан радиалды сыртқа қарай бағытталған фоторецептор аксондары) бинокулярлық ретиналық бирефрингенциясын тексеру косықтықты және, мүмкін, анизометропиялық амблиопияны анықтауға сенімді мүмкіндік береді. Дені сау адамдарда Хенле талшықтары қабатының тудыратын максималды кешігу 840 нм толқын ұзындығында шамамен 22 градусқа жетеді. Сонымен қатар, сканерлеуші лазерлік поляриметрия оптикалық жүйке талшықтары қабатының бирефрингенциясын оның қалыңдығын бағалау үшін пайдаланады, бұл глаукоманы бағалау және бақылау үшін пайдалы. Дені сау адамдардан алынған поляризацияға сезімтал оптикалық когерентті томографиялық өлшемдер оптикалық жүйке басының айналасындағы орналасуына байланысты торлы жүйке талшықтары қабатының бирефрингенциясының өзгеруін көрсетті. Бұл технология жақында тірі адамның торшасында көру нервіне жақын қан тамырлары қабырғаларының поляризациялық қасиеттерін бағау үшін қолданылды. Жоғары қан қысымынан зардап шегетін науқастарда торлы қан тамырлары қабырғалары қалыңдайды және бирефрингенциясы төмендейді, бұл қан тамырлары қабырғаларының жағдайының нашарлауын көрсетеді, ал диабетпен ауыратын науқастарда қан тамырлары қабырғаларының қалыңдығы өзгермейді, бірақ бирефрингенциясы артады, бұл фиброз немесе қабынудың салдары болуы мүмкін. Сперматозоид басындағы бирефрингенциялық қасиеттер интрацитоплазмалық сперматозоид инъекциясы үшін сперматозоидтарды таңдауға мүмкіндік береді. Сол сияқты, аймақтық бейнелеу овуляторлардың бирефрингенциясын пайдаланып, жүктіліктің сәтті болуының ең жоғары ықтималдығы бар овуляторларды таңдайды. Өкпе түйіндерінен алынған биопсиялық материалдың бирефрингенциясы силикозды көрсетеді. Дерматологтар тері зақымдануларын қарау үшін дерматоскоптарды пайдаланады. Дерматоскоптар поляризацияланған жарықты қолданады, бұл пайдаланушыға терідегі дермалық коллагенге сәйкес келетін кристалдық құрылымдарды көруге мүмкіндік береді. Бұл құрылымдар ақ түсті жалтыраған сызықтар немесе розетка тәрізді пішіндер түрінде көрінеді және оларды тек поляризацияланған дермоскопияда ғана көруге болады.
Стресс әсерінен пайда болған қос бұзылу
Изотроптық қатты денелер қос сынуды (двойное лучепреломление) көрсетпейді. Механикалық кернеуге түскенде, қос сыну пайда болады. Кернеу сырттан қолданылуы мүмкін немесе инъекциялық қалыптау арқылы жасалған қос сынуға ұшырайтын пластикалық бұйымды дайындағаннан кейін салқындағанда "қатып қалады". Мұндай сынама екі қиылысқан поляризатордың арасына қойылғанда, түсті үлгілерді байқауға болады, себебі жарық сәулесінің поляризациясы қос сыну материалынан өткеннен кейін бұрылады және бұрылу мөлшері толқын ұзындығына байланысты. Қатты денелердегі кернеудің таралуын талдауға арналған фотоэластикалық әдіс осы принципке негізделген. Жақында шыны тақтадағы кернеудің әсерінен туындаған қос сынуды пайдалану арқылы оптикалық бұйраны (вихрь) және толық Поанкаре сәулелерін (қырлы бөлігінде барлық мүмкін поляризациялық күйлерге ие оптикалық сәулелер) жасау бойынша зерттеулер жүргізілді.
Қос бұзушылықтың басқа жағдайлары
Бирефрингенция анизотропты серпімді материалдарда байқалады. Бұл материалдарда екі поляризация тиімді сындыру көрсеткіштеріне қарай бөлінеді, және олар да кернеуге сезімтал. Қатты Жер арқылы (Жердің сұйық ядросы қима толқындарын өткізбейді) жүсетін қима толқындарындағы бирефрингенцияны зерттеу сейсмологияда кеңінен қолданылады. Бирефрингенция минералогияда тау жыныстарын, минералдарды және құйма тастарды анықтау үшін жиі пайдаланылады.