單軸晶體指的是只有一個光軸的晶體。其折射率橢球為旋轉橢球體。屬于四方晶系、三方晶系和六方晶系的晶體都是光學單軸晶體。
物品簡介
當光線穿過某些晶體（如方解石、鈮酸鋰、鉭酸鋰等）時，會折射成兩束光。其中一束符合一般折射定律稱之為尋常光（簡稱o光），折射率以no表示；而另一束的折射率隨入射角不同而改變，稱為非常光（簡稱e光），折射率以ne表示。一般講晶體中總有一個或二個方向，當光在晶體中沿此方向傳播時，不發(fā)生雙折射現(xiàn)象，把這個方向叫做晶體的光軸方向。只有一個光軸的稱為單軸晶體，有兩個光軸方向的稱為雙軸晶體。由晶體光軸和光線所決定的平面稱為晶體的主截面。實驗發(fā)現(xiàn)，o光和e光都是線偏振光，但它們的光向量（一般指電場矢量E）的振動方向不同，o光的光矢量振動方向垂直于晶體的主截面，e光的光矢量振動方向平行于晶體的主截面。晶體的光軸在單射面內時，o光和e光的主截面重合，電光矢量的振動方向互相垂直。
物品解釋
光在晶體中傳播時，在不平行于光軸方向上，由于e光和o光傳播速度不同，而出現(xiàn)兩個不同折射率的光的像，這種現(xiàn)象叫做雙折射現(xiàn)象。雙折射現(xiàn)象有兩類，單軸晶體和雙軸晶體。只有一個光軸的晶體就叫單軸晶體。其折射率橢球為旋轉橢球體。屬于四方晶系、三方晶系和六方晶系的晶體都是光學單軸晶體，常見的單軸晶體有方解石(CaCO)和石英(SiO)。
物理性質
由電磁場理論已知，介電常數(shù)ε是表征介質電學特性的參量。由固體物理學知道，不同晶體的結構具有不同的空間對稱性，自然界中存在的晶體按其空間對稱性的不同，分為七大晶系：立方晶系；四方晶系；六方晶系；三方晶系；正方晶系；單斜晶系；三斜晶系品系。由于它們的對稱性不同，所以在主軸坐標系中介電張量的獨立分量數(shù)目不同，各晶系的介電張量矩陣形式如表所示。由該表可見，三斜、單斜和正交晶系中，主介電系數(shù)ε1≠ε2≠ε3，這幾類晶體在光學上稱為雙軸晶體；三方、四方、六方晶系中，主介電系數(shù)ε1=ε2≠ε3，這幾類晶體在光學上稱為單軸品體；立方晶系在光學上是各向同性的，ε1=ε2=ε3。
單軸晶體和雙軸晶體像石英，紅寶石，冰等晶體只有一個光軸方向，它們屬于單軸晶體。
現(xiàn)象研究
研究背景
由于巨大的潛在應用價值，負折射現(xiàn)象引起了人們的濃厚興趣。最重要的是負折射率介質在理論上可以實現(xiàn)完美透鏡(Perfectlens)。用無限大的負折射率介質板制成的完美透鏡可將光束的各個角譜成分很好地聚焦于一點。聚焦光斑的精度可以達到小于波長的尺度。如果將其制成光學鏡頭，可以使DVD的數(shù)據(jù)存儲量擴大100倍；如果應用于醫(yī)療高磁共振(MRI)儀器，也將大大提圖像的清晰度。負折射率介質大多為周期排列的微觀金屬單元結構，損耗高，且只能在微波段實現(xiàn)負折射，應用前景受到限制。最近Zhang等 ? 在實驗中發(fā)現(xiàn)：光線在兩個沿光軸成45°角切割的正折射率的單軸晶體界面出現(xiàn)了負折射現(xiàn)象，證明在不具有負折射率的介質中同樣可以實現(xiàn)負折射，被認為是實現(xiàn)完美透鏡的另一個重要嘗試。Liu等 分析了單軸晶體中實現(xiàn)負折射入射角的范圍，發(fā)現(xiàn)各向同性介質和單軸晶體界面也會同時出現(xiàn)負折射現(xiàn)象。
研究進一步分析了在各向同性介質和單軸晶體界面實現(xiàn)負折射的最佳條件。能流在各向同性介質和單軸晶體界面實現(xiàn)負折射時入射角處于一個很小的范圍內。為使單軸晶體中的負折射現(xiàn)象更為明顯，總希望實現(xiàn)負折射的入射角范圍更大一些。計算發(fā)現(xiàn)可以通過調節(jié)光軸角、各向異性參量以及各向同性介質的折射率使單射臨界角達到最大值，獲得實現(xiàn)負折射的最佳光軸角和最大入射臨界角。單軸晶體中的負折射現(xiàn)象完全是由單軸晶體的各向異性決定的，在各向同性介質和單軸晶體界面能流可能發(fā)生負折射而波向量仍然發(fā)生正折射，這和負折射率介質中的負折射性質不同。最后分析了單軸晶體中的能流負折射現(xiàn)象不能實現(xiàn)完美透鏡。
負折射簡介
能流的折射角的大小取決于晶體參量、入射角大小、光軸角取值和 各向同性介質的折射率。通過對這些參量的分析即可以得出能流負折射情況。以正單軸晶體釩酸釔中能流出現(xiàn)負折射為例，其晶體參量為n=2.0177，n=2.2508(λ=0.6328μm)。取各向同性介質為空氣(n=1)，光軸角θ=π/4。波矢折射角θ與能流折射角β隨入射角θ變化的關系，如圖1所示。圖1中虛線表示波矢折射角θ隨入射角θ的變化關系，實線表示能流折射角β隨入射角θ的變化關系。可以看出只有入射角在一定的區(qū)間范圍內能流才會發(fā)生負折射。
研究結論
單軸晶體的負折射現(xiàn)象，只是入射角在一定范圍內能流發(fā)生了負折射，不是單軸晶體具有負折射率，因為單軸晶體中的o光和e光的主折射率均為正值。單軸晶體中能流出現(xiàn)負折射完全是由單軸晶體本身的各向異性性質決定的，故單軸晶體中出現(xiàn)能流負折射其本質和負折射率介質出現(xiàn)的負折射性質完全不同。單軸晶體出現(xiàn)的能流負折射現(xiàn)象并不意味著做成完美透鏡，因為完美透鏡要求對于不同角度單射光線的折射率均為負值，這樣才能使光束的各角譜成分完美的聚焦于一點。在單軸晶體中只有入射角在一定的范圍內能流才會出現(xiàn)負折射，光束的某些角譜成分不能聚焦；e光在單軸晶體中傳輸時還會出現(xiàn)像散等特性，不能用單軸晶體板做成完美透鏡。單軸晶體中的能流負折射性質在理論上可以用來制造新穎的光子器件，其潛在的應用價值值得深入研究。
參考資料 >