krystalloptikk

Krystalloptikk er læren om krystallenes optiske egenskaper, det vil si hvordan lys går gjennom og brytes i krystaller.

Dansken Rasmus Bartholin oppdaget i 1669 lysets dobbeltbrytning i kalkspat. Nederlenderen Christiaan Huygens forklarte kort etter fenomenet ut fra sin bølgeteori for lyset. Briten David Brewster fant at krystaller som hører til regulære systemer, kubiske krystaller, bryter lyset enkelt, slik som amorfe stoffer (glass). Kubiske krystaller er altså optisk isotrope, mens alle andre krystalltyper bryter dobbelt. I dobbeltbrytende krystaller er det alltid én eller to retninger som lyset kan gå i uten dobbeltbrytning; disse retningene blir kalt krystallens optiske akser. Heksagonale (sekskantede), trigonale (trekantede) og tetragonale (firkantede) krystaller er optisk enakset; rombiske, monokline og trikline er optisk toakset. Ethvert plan gjennom en optisk akse blir kalt et hovedsnitt.

Når en lysstråle treffer en flate på en enakset krystall under en vinkel med den optiske akseretningen, vil den ene av de brutte strålene, den ordinære strålen, følge den alminnelige brytningsloven og ligge i innfallsplanet, mens den andre strålen, den ekstraordinære, i alminnelighet faller ut av innfallsplanet og ligger i et hovedsnitt gjennom innfallsloddet. Ved to-aksede krystaller er forholdene mer komplisert.

Etter lysets bølgeteori antar man at dobbeltbrytningen skyldes en usymmetri i krystallens indre struktur, som gjør at forplantningshastigheten for lysstråler gjennom krystallen varierer med svingeplanet for svingningene i strålen. Det kan vises at en slik krystall ikke fører svingninger med vilkårlig svingeplan, men bare i to plan som danner 90° med hverandre og som har en bestemt orientering i forhold til krystallens optiske akser og lysstrålens retning. Har en innfallende lysstråle en annen svingeretning, så blir strålen i krystallen delt i to, der svingningene foregår i de nevnte retninger; dette er dobbeltbrytning. Den franske fysikeren Augustin Jean Fresnel og britiske Thomas Young var de første til å gi en fullstendig matematisk teori for de krystalloptiske fenomenene (1805–1825).

Enkelte krystaller absorberer den ordinære og den ekstraordinære strålen ulikt, og gjennomsiktigheten eller fargen kan derfor variere i forskjellige retninger, dikroisme. Et kjent eksempel er turmalin. Plater av turmalin blir brukt til å fremstille polarisert lys, idet bare den ene av de to strålene slipper gjennom krystallen med merkbar styrke. Til teknisk bruk anvendes 0,3 millimeter tykke plater av herapatitt (oppdaget i 1852 av engelske William Bird Herapath (1820–1868). Krystallene blir parallellrettet i et bindemiddel ved egnet valsing og er i handelen som polarisasjonsfolier under varemerkene polaroid, herotar med flere.

Den britiske astronomen John Frederick Herschel oppdaget at kvarts dreier polarisasjonsplanet når polarisert lys går langs den optiske aksen. Den ordinære og ekstraordinære strålen beveger seg da samme vei, men med forskjellig hastighet. Det finnes i naturen både høyredreiende og venstredreiende kvarts. Dreiningen av polarisasjonsplanet i løsninger av visse stoffer, for eksempel sukker i vann, virker på samme måte, uten at det skyldes noen krystallinsk struktur. Det er en følge av sukkermolekylenes stereokjemiske struktur.

Isotrope stoffer, som glass, blir dobbeltbrytende når de utsettes for ensidig trykk eller strekk. Dobbeltbrytningen er proporsjonal med spenningen i materialet. Effekten kan brukes til eksperimentell undersøkelse av spenninger i konstruksjoner som er vanskelige å beregne, ved å benytte modeller laget av plast eller glass (se fotoelastisitet). Dobbeltbrytningen gjøres synlig når modellen anbringes i et polarisasjonsapparat, (se også stauroskop).