什么是双折射？

双折射（birefringence或double refraction）是一种存在于某些材料中的光学现象。大多数透光材料具有单一折射率，可改变光穿过材料时的路径。但是，在双折射材料中，一束光线会遇到两种折射率，从而分裂成两束沿着不同的轨迹传播的光线。 

双重折射现象取决于材料的结构（即材料的晶格），以及入射光线的偏振和传播方向。非偏振光进入双折射材料后，会分裂成两条不同的光线，分别称为寻常光线（o光线）和非寻常光线（e光线）。o光线的偏振方向垂直于（或正交于）光轴——即光不会发生双折射的方向，而e光线的偏振方向与光轴不完全垂直。这两条偏振光线在折射后，会以不同的角度和速度传播。

多种不同晶体天然表现出各向异性和双折射特性。在光学中，各向异性是指一种材料属性，该属性随测量方向而变化。具有这类性质的材料包括：

• 碳酸钙（方解石）
• 石英
• 电气石
• 红宝石
• 二氧化钛（金红石）
• 氟化镁（氟镁石）

此外，还有多种具有非晶态各向异性结构的合成材料也能表现出双折射现象，包括：

• 纤维材料
• 长链聚合物
• 树脂
• 复合材料

有一种特殊类型的双折射称为应力双折射，这种现象发生在材料受到外力或形变时。应力双折射由弹光效应（也称为压光效应）引起，常见于塑料和拉伸薄膜等材料。

应力的引入会导致分子层面的变化，造成原子分布不均匀和力学属性变化。该效应会使材料在承受应力或载荷时折射率发生变化。

弹光效应在某些方面类似于压电效应。压电效应是材料在承受机械应力时产生电荷的物理现象，而弹光效应则是施加的载荷改变了材料的电荷分布。但不同之处在于，前者改变的是电气属性，后者则是材料在原子重新分布后发生光学属性变化。

由于这种双折射在施加的机械载荷下发生，因此可以通过该现象实现材料应力分布的可视化。这是一种有效的方法，可用于测试光学组件在集成到大型系统（如增强现实/虚拟现实头显设备）时所受的应力与应变。

双折射在众多科学和技术领域得到了广泛应用。

科学仪器

双折射可用于不同分析表征技术中的材料属性研究，包括：

偏振光显微镜：该技术方案将偏振光照射到样品上，然后样品的双折射特性会改变光的偏振状态。显微镜中的分析仪组件可以选择性地仅透过偏振状态发生改变的光，从而增强图像对比度，并提供有关样品内在属性（例如结构和成分细节）的信息。 

光学相干断层扫描（OCT）：该技术利用不同生物材料（如人体组织）的双折射特性，为显微图像增加对比度。

LCD屏幕

LCD屏幕利用双折射液晶来显示图像和视频。当施加电场时，这些液晶的折射率会改变。通过控制液晶的方向，屏幕可以调控通过光的偏振状态和强度。

光通信

双折射可用于光缆中的信号传输。在称为“波长选择开关”的光纤组件中，双折射作为光学“门控”，可精准选择特定波长并引导其沿光缆中特定路径传输。双折射材料能保持透射光沿光缆传输时的偏振状态，从而最大限度地减少失真，实现更可靠的通信线路。

偏振选择器

双折射也可用于摄像头、显微镜及其他光学仪器的偏振选择器。偏振选择器由具有网格状各向异性结构的材料组成，通过阻挡光的两个偏振分量之一，来控制不同波长光的通过。这使我们能够生成独特的视觉效果，以及低眩光、更高清晰度的图像。

尽管双折射在许多应用领域中被用于实现功能增强，但应力双折射却会降低光学组件的性能。

在某些应用中，工程师已将透镜材料从玻璃转为塑料，以使光学系统更轻、更易于大规模生产。然而，丙烯酸类和PMMA等聚合物更容易产生应力双折射。该效应在玻璃中并不显著，但塑料光学元件可能发生形变，并在分子层面改变光与材料的相互作用。因此，在智能手机、抬头显示器（HUD）和AR/VR头显设备等高性能技术中使用的所有塑料透镜，都需要考虑应力双折射。

光学器件中的应力双折射主要有两大来源：制造过程和安装过程。在制造过程中，注塑成型等工艺会导致透镜冷却时其内部产生残余应力，因为外缘冷却速度比内部更快。

此外，将透镜固定到其支架或外壳中时，该过程产生的机械应力会改变塑料透镜内部的折射率分布。由于这些应力会改变材料的固有光学属性，因此必须在仿真和建模中予以考虑，以确保最佳透镜性能并最大限度地减少光学损耗，例如亮度和强度的衰减。

即使整体光透射损耗只有几个百分点，若未加考虑，也可能导致图像质量和亮度超出指定范围。这种影响在HUD和AR/VR头显设备中尤为明显，其会导致低对比度图像，因此必须通过增加系统功耗来补偿。但对于头显设备而言，这并不是理想选择，因为这会产生额外热量，不仅会让佩戴者感到不适，还会更快地耗尽电池电量。

双折射始终会造成一定程度的光学误差，但制造商很少提供关于其如何影响材料光学性能的信息。随着工程师开发更先进的光学组件，了解双折射对不同材料性能的影响将变得越来越重要。仿真与计算建模能够通过考虑应力双折射等多物理场效应，提供设计洞察，成为解锁新一代光学设计的关键。

先进光学系统的开发、原型设计、测试和生产成本日益攀升。因此，减少物理原型测试周期对于在预算范围内推进产品开发至关重要。如果能确保首个物理原型就接近预期规范，便可以助力节省时间、精力和资金。

Ansys提供了一系列工具，例如Ansys Zemax OpticStudio光学系统设计与分析软件，以及Ansys Mechanical结构有限元分析（FEA）软件，帮助用户了解各种光学器件和终端应用中的不同材料及其双折射特性。这些应用还兼容MATLAB和Moldex3D等外部工具。 

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