双轴晶体

双轴晶体是一种具有两个光轴的晶体，其折射率椭球呈三轴椭球体形状。此类晶体主要存在于三斜晶系、单斜晶系和正交晶系^[1][2][3]。

双轴晶体的波面呈现出复杂的形态，其在三个坐标面上的剖面均由一个圆和一个椭圆组成。在这些图中，x、y、z轴按照ε、ε、ε递增的顺序选择。在zx平面的每个象限内，两层波面相交于一点R，形成了一个“酒窝”状的结构。当光线沿着OR方向传播时，所有光束的速度均相同，因此OR方向被称为晶体的射线轴。为了在射线面的图中查找光轴的方向，可以在zx剖面图中绘制圆和椭圆的公切线，使其与圆的切点为N，ON方向则被称为晶体的光轴，因为在该方向上传播时，各个光束的相速度相同。值得注意的是，在z轴两侧分别有一个光轴和射线轴，因此晶体具有两条光轴和两条射线轴。

双轴晶体的三个主介电系数并不相等，即ε≠ε≠ε，这意味着n≠n≠n。通常情况下，主介电系数按ε< ε<ε的顺序取值。这一类晶体之所以被称为双轴晶体，是因为在其两个光轴方向上，对应的两种特许线偏振光波的传播速度（或折射率）相等。通过波法线菲涅耳方程式的计算，可以得出双轴晶体的两个光轴位于xOx平面内，并且与x轴的夹角分别为β和-β。其中，β小于45°的晶体被称为正双轴晶体，而β大于45°的晶体则被称为负双轴晶体。这两个光轴组成的平面被称为光轴面。

双轴晶体的锥折射现象最初是由英国科学家哈密顿在1832年预测的。他提出，当波矢K与双轴晶体的一个光轴重合时，传播的光将在空心锥面上分布，形成的出射光束被称为锥面光束。在横截平面上观测时，可以看到一个光环。尽管这个现象在过去170多年里仅被视为光波动说的一个例子，但在实践中并未得到有效应用。然而，近年来中国的一些科研人员对该现象进行了深入研究，成功地产生了大张角的激光锥面光束，并实现了锥光控制，使得激光圆锥扫描成为可能，为锥折射现象的实际应用打下了技术基础。