複屈折

複屈折：光の速度が偏光方向で変わる現象

複屈折とは、特定の物質を光が透過する際、光の偏光状態によって光の進み方が異なる現象です。例えば、方解石結晶では、入射した光は通常光線と異常光線の2つに分裂します。これらの光線は、それぞれ異なる速度で物質中を伝播し、異なる屈折率を示します。この違いは、光の電場ベクトルの向き、つまり偏光方向に依存しています。簡単に言うと、物質中の光の速度が光の向きによって変わるということです。

複屈折の定量化

複屈折の大きさは、通常光線と異常光線の屈折率の差によって表されます。

Δn = nₑ - nₒ

ここで、nₒは通常光線の屈折率、nₑは異常光線の屈折率です。入射光が光学軸と平行に入射する場合は、両者の屈折率は一致します。通常光線の屈折率は入射角に依存しませんが、異常光線の屈折率は入射角に依存し、光学軸に垂直な方向で最大値を取ります。

より一般的には、複屈折物質の誘電率は2階のテンソル（3×3行列）で記述されます。このテンソルは、3つの直交する偏光主軸に対する固有値を持ち、それらはnₒ²、nₒ²、nₑ²に対応します。光の伝播方向を固定して考える場合もあります。

複屈折の発生

複屈折は一般的に異方性結晶で見られますが、等方性材料でも様々な方法で発生させることができます。

光弾性: 等方性材料に外力（応力）を加えると、材料の等方性が崩れ、複屈折が発生します。
旋光: 光学活性を持つ分子の溶液など、キラルな分子が特定の方向に配向していると、複屈折が発生します。これは、左円偏光と右円偏光の屈折率が異なるためです。
構造複屈折: 波長よりも小さい周期構造を持つ材料では、構造に由来する複屈折が発生します。例えば、微細な円柱が周期的に配列した構造や、周期的な溝を持つ構造（ラインアンドスペース構造）などです。メタマテリアルの一種と言えるでしょう。
カー効果: 強電場を印加すると、等方性材料に電場の二乗に比例した複屈折が発生します。光電場による場合は光カー効果と呼ばれ、非線形光学効果の一つです。
ファラデー効果: 磁場を印加すると、等方性材料に旋光性が現れます。これは、磁場により左円偏光と右円偏光の屈折率が異なるためです。磁場を除去すると、この効果は消失します。
自発的または強制的な配向:両親媒性分子、脂質、界面活性剤、液晶などを薄膜状にすると、分子が配向し、複屈折が発生します。

複屈折の応用

複屈折は、様々な分野で応用されています。例えば、水晶の真偽判定では、天然水晶は複屈折を示すため、透過した景色が滲んで見えます。一方、ガラスなどの複屈折を示さない物質では、景色は鮮明に見えます。この性質を利用して、水晶の真偽を判別することができます。他にも、偏光板や光学素子、液晶ディスプレイなど、多くの光学機器に利用されています。

まとめ

複屈折は、物質の光学特性を理解する上で重要な現象です。その発生機構や応用は多岐に渡り、光学、材料科学、結晶学など、様々な分野で研究されています。

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