การหักเหสองแนว

การหักเหสองแนว (birefringence) คือการแยกลำแสงออกเป็นสองลำแสง โดยขึ้นอยู่กับสถานะโพลาไรเซชัน เมื่อส่องผ่านวัสดุบางอย่าง (เช่น ผลึกที่เรียกว่าแคลไซต์) โดยลำแสงทั้งสองนั้นจะเรียกว่า รังสีสามัญ (ordinary) และ รังสีวิสามัญ (extraordinary) และมีทิศทางของโพลาไรเซชันที่แตกต่างกัน (ทิศทางของเวกเตอร์สนามไฟฟ้า) ตามแกนเชิงแสงของผลึก ปรากฏการณ์นี้อธิบายได้ว่าเกิดจากการที่ดรรชนีหักเหของแสงแตกต่างกันเป็นสองค่าสำหรับการวางแนวโพลาไรเซชันแต่ละแบบ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ความเร็วของแสงเมื่อผ่านสสารจะขึ้นอยู่กับทิศทางของเวกเตอร์สนามไฟฟ้าของแสงที่ผ่านสสาร ปรากฏการณ์นี้ได้ถูกอธิบายเป็นครั้งแรกโดยราสมุส บาร์โทลิน แพทย์ชาวเดนมาร์ก ในปี 1669 หลักการนี้สามารถถูกใช้เพื่อสร้างโพลาไรเซอร์สำหรับแยกแสงโพลาไรซ์คนละแนวออกจากกันได้

ทฤษฎี 

การหักเหสองแนวนั้นวัดปริมาณได้ดังนี้

 

ที่นี่  เป็นดรรชนีหักเหของรังสีสามัญ  เป็นดัชนีการหักเหของรังสีวิสามัญ ดรรชนีหักเหของรังสีทั้งสองจะเท่ากันเมื่อรังสีตกกระทบตามแกนเชิงแสงของผลึก ดรรชนีหักเหของรังสีสามัญไม่ได้ขึ้นอยู่กับมุมของแสงที่ตกกระทบที่ทำกับแกนเชิงแสงของผลึก ในทางกลับกัน ดัชนีการหักเหของแสงสำหรับวิสามัญจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับมุมของแสงที่ตกกระทบตามแกนเชิงแสงของผลึก และจะมีค่าสูงสุดเมื่อมุมตกกระทบตั้งฉากกับแกนเชิงแสงของผลึก

โดยทั่วไปแล้ว เราอธิบายสภาพยอมของไดอิเล็กตริกแบบแอนไอโซทรอปิกด้วยเทนเซอร์ อันดับสอง (เมทริกซ์ 3x3) วัสดุที่มีคุณสมบัติการหักเหสองแนวเป็นกรณีพิเศษซึ่งมีเทนเซอร์สภาพยอม  เป็นเมตริกซ์ทแยงมุมโดยมีค่าเป็น ,  และ  (หรืออาจพิจารณาว่าทิศทางการแพร่กระจายของแสงคงที่ คิดเพียงสองแกนที่เหลือ) นั่นคือ

โดยในที่นี้  คือสภาพยอมในสุญญากาศ

โดยหลักการแล้ว การหักเหสองแนวสามารถเกิดขึ้นได้ไม่เฉพาะในวัสดุไดอิเล็กตริกเท่านั้น แต่ยังเกิดในวัสดุที่มีความเป็นแม่เหล็กด้วย แต่สภาพให้ซึมผ่านได้ทางแม่เหล็กในบริเวณความถี่ของแสงแทบจะไม่เปลี่ยนแปลง

กระดาษแก้วเป็นตัวอย่างของวัสดุหักเหสองแนวที่มีราคาไม่แพงและหามาได้ง่าย

ในการตรวจสอบว่าทรงกลมควอตซ์ เป็นของจริงแท้หรือไม่ ให้ตรวจสอบโดยพิจารณาที่การหักเหสองแนว โดยในกรณีของควอตซ์ตามธรรมชาติ เค้าโครงของทิวทัศน์เมื่อมองทะลุผ่านจะดูเบลอ ๆ เนื่องจากเกิดการหักเหสองแนว ดังนั้นแล้วแม้ว่าวัสดุจะโปร่งใส แต่หากมองเห็นเส้นขอบได้อย่างชัดเจนโดยไม่เบลอ ก็สามารถแยกแยะได้ว่าเป็นวัสดุที่ไม่เกิดการหักเหสองแนว เช่น แก้ว ไม่ใช่ควอตซ์

การหักเหสองแนวจากวัสดุที่ไม่เป็นแอนไอโซทรอปิก 
โดยทั่วไปแล้วการหักเหสองแนวจะเกิดขึ้นจากผลึกแอนไอโซทรอปิก แต่ในวัสดุไอโซทรอปิกก็อาจถูกทำให้เกิดการหักเหสองแนวขึ้นได้ด้วยวิธีดังต่อไปนี้

 ความยืดหยุ่นเชิงแสง: เกิดขึ้นจากการสูญเสียความเป็นไอโซทรอปิกของระบบเมื่อโดนแรงกระทำจนเสียรูป (ยืดหรืองอ)
 การหมุนเชิงแสง: เกิดขึ้นเมื่อความบริสุทธิ์เชิงแสงเกิดความเอนเอียงในสารละลายของโมเลกุลที่มีผลกระทบต่อแสง
 ปรากฏการณ์เคอร์: เกิดการหักเหสองแนวขึ้นตามสัดส่วนกำลังสองของสนามไฟฟ้าในวัสดุไอโซทรอปิกเมื่อโดนสนามไฟฟ้าความเข้มสูงจากภายนอก
 ปรากฏการณ์ฟาราเดย์: เกิดการหมุนเชิงแสงขึ้นจากการใช้ให้สนามแม่เหล็กกับวัสดุไอโซทรอปิก ใช้งานได้ดีในทางทัศนศาสตร์ เนื่องจากเมื่อได้รับสนามแม่เหล็ก ดัชนีการหักเหของแสงสำหรับแสงโพลาไรซ์เชิงวงกลมหมุนซ้ายนั้นแตกต่างจากค่าดัชนีของแสงโพลาไรซ์แบบวงกลมหมุนขวา ปรากฏการณ์นี้จะหายไปทันทีที่สนามแม่เหล็กหายไป

อ้างอิง 

วิทยาแร่
ทัศนศาสตร์
โพลาไรเซชัน