【光学】複屈折

概要

複屈折（ふくくっせつ、Birefringence）とは、一つの物質中を通る光が、入射方向や偏光状態によって異なる屈折率で進む現象です。
これは、光が物質内部の分子配列や結晶構造の非対称性に影響されるために起こります。

通常の透明体では、光は一つの速度で進みますが、複屈折を示す物質では光が二つの異なる速度で進み、それぞれ異なる方向に偏光することがあります。
その結果、二重像が見える場合があり、光学実験や光学デバイス設計で重要な現象です。

複屈折は、結晶物理学や材料科学、光通信、液晶ディスプレイの動作原理など幅広い分野で利用されています。

詳細な説明および原理

原理

複屈折は、物質内で光の電場方向に応じて屈折率が異なることに起因します。
結晶や分子の配列が非対称の場合、光の振動方向により進行速度が変化します。

屈折率は方向依存性を持ち、一般に

$$ n_o = \text{普通光線の屈折率} $$
$$ n_e = \text{異常光線の屈折率} $$

と表されます。ここで、普通光線（ordinary ray, o-ray）は一貫した屈折率 ( n_o ) で進み、
異常光線（extraordinary ray, e-ray）は方向によって変わる屈折率 ( n_e ) で進みます。

位相差の発生

厚さ ( d ) の複屈折材料を通過した場合、二つの光線は位相差 ( Δ Φ ) を持ちます。

$$ \Delta \phi = \frac{2 \pi d}{\lambda} (n_e – n_o) $$

• λ ：光の波長
• n_e – n_o ：複屈折量（Birefringence, Δn）

この位相差が干渉や偏光状態の変化として現れます。

複屈折の種類

1. 正の複屈折（n_e > n_o）
   異常光線の屈折率が普通光線より大きい場合です。
2. 負の複屈折（n_e < n_o）
   異常光線の屈折率が普通光線より小さい場合です。

複屈折は、結晶の対称性や材料内部の応力によっても変化します。

応用例（具体例）

1. 光学結晶・偏光板

• ニコルプリズム：偏光を生成する光学素子で、複屈折結晶（石英やカルサイト）が利用されます。
• 位相差板（λ/4板、λ/2板）：光の位相を制御して偏光状態を変えるのに使用されます。

2. 液晶ディスプレイ（LCD）

液晶分子は整列方向に応じて屈折率が異なるため、複屈折現象が利用されています。
これにより、偏光光を制御して画面に表示される明暗や色を変化させます。

3. 材料応力解析

透明樹脂やガラスの内部応力を可視化するために、偏光下での複屈折観察が使われます。
構造物の応力分布を非破壊で評価できます。

4. 光通信・レーザ応用

複屈折を持つ光ファイバ（Birefringent fiber）は、偏光状態を制御・保持するために用いられます。
偏光保持型レーザや干渉計など、高度な光学系で重要です。

まとめ

複屈折は、光が物質中で進む速度が方向や偏光に依存する現象です。
主なポイントは以下の通りです。

• 普通光線と異常光線の二つの光線に分かれる
• 厚さや屈折率差によって位相差が生じる
• 偏光制御、液晶ディスプレイ、応力解析、光通信など幅広く応用される

複屈折は一見難しそうですが、光の進行速度と偏光の変化を理解すれば直感的に理解できる現象です。
光学実験やデバイス設計を学ぶ上で、基本となる重要な概念です。