图像是人类获取信息最主要的形式，而图像的显示或呈现大多以屏幕作为载体。手机里的照片、电脑里的文档，都是通过一幅幅明暗交替变化的图像进入人的眼睛。液晶显示屏是当前最常见的屏幕类型之一。当你在电脑上打开这篇文章时，文字、图片内容的不断变化，要通过屏幕上数以百万计像素的亮暗调整（图1）。屏幕前的你有没有想过，一块看似很薄的屏幕，为什么能够如此精确控制每一个像素的亮暗？
图1：(a) LCD显示器; (b) 像素网格特写照片
图源：Light科普坊/视图网
答案，就藏在液晶材料与光的一场“魔法”互动里——双折射效应。一束光进入某些特殊的介质后，居然会"兵分两路"，变成两束光。为什么会这样？这与液晶显示又有什么关系？让我们从一块小小的石头说起。
一、什么是双折射？
当一束光由一种介质射入另一种介质时（非垂直入射），传播方向会发生偏折（图2），这便是我们熟知的折射现象。折射是我们生活中最常见的光学现象之一。光沿不同方向入射到物体中都会遵循相同的折射规律，这种介质称为各向同性介质。生活中常见的玻璃、水、空气等，都属于这类。实际上，生活中还存在一类物理特性沿不同方向表现出一定的差异性的介质，这类介质称为各向异性介质，比如石英、方解石、蓝宝石、冰、铌酸锂等。
图2：光的折射现象
图源：Light科普坊/视图网
我们先来做一个简单的实验，取一块方解石（化学式CaCO3，也叫冰洲石），放在纸上，我们发现经过方解石后，原本的一条线变成了两条（图3）。这说明，一束光线经过方解石后变成了两束。这一现象，与我们平时见到的折射现象有很大不同。如果旋转方解石，我们沿着某一方向观看时，出射的光线变成了一条。因此，这类介质中存在着一个特殊的方向，光线沿着这个方向传播时，光线仍保持为一条，我们称这个方向为晶体的光轴。
图3：方解石中的双折射现象
图源：王晓杰
实际上，这种现象并非什么光的魔法，而是光的双折射效应（birefringence）。这种现象早在1669年就被丹麦科学家埃拉斯穆斯·巴塞林（Erasmus Bartholin）在方解石晶体中发现。
双折射效应的本质，是一束光进入各向异性介质时，会分裂为传播方向和速度均不同的两束线偏振光——这正是光的“分身术”。不过与神话里变出一模一样替身的分身术不同，光分出的这两个“分身”性格迥异：其中一束光沿各个方向的传播规律相同，遵从传统的折射定律，称之为寻常光（o光，ordinary ray）。另一束光的折射率会随着与光轴的夹角变化而不同，称之为非寻常光（e光，extraordinary ray）。这种“分裂”的根源在于材料内部的光学各向异性。
小百科：为什么各向异性的介质存在双折射效应？
为了解释这一现象，我们先引入极化的概念。我们知道，光是电磁波，进入晶体后，晶体中的电子和离子会在电场的作用下发生微小的位移。这种在外电场作用下，介质内部电荷分布发生轻微改变的现象，叫做极化。如果晶体在各个方向上的内部结构完全一样，那么电子和离子在不同方向上受到电场作用时，发生位移的程度也差不多，光的传播性质就不会产生差别。
我们假设一束线偏振光（关于偏振的概念，请参考Light科普坊专栏文章为什么这种太阳镜可以防眩光？）从真空斜入射到一种各向同性介质中。这束光可以分解成两个振动方向互相垂直的线偏振分量。在各向同性介质中，这两个分量使介质产生的极化响应是相同的，具有相同的折射率。因此，这两束光会以相同的折射角度发生偏折，传播方向保持一致，看起来还是一束光。
当一束光入射到各向异性介质中时，如果此时光的传播方向不与光轴平行，那么其中一个分量的振动方向垂直于由光轴和传播方向所形成的平面（称为主平面），这束光沿各个方向的传播规律相同（o光）。另一个分量的振动方向含有平行于光轴的成分，而晶体在光轴方向和垂直方向的极化响应不同，导致这束光的折射率依赖于其与光轴的夹角，从而与o光分离（e光）。
我们可以用一个简单的类比来理解两者的差异：o光就像在平坦公路上跑步的人，无论朝哪个方向跑，速度都保持不变；而e光则像在山地和公路交错的地形上跑步，沿着不同方向前进时，遇到的地形阻力不同，速度也会随之变化。由于e光的偏振不垂直于光轴，其折射率与o光不同，因此两束光偏折程度不同，在传播过程中就会逐渐分开，一束光变成了两束光（图4）——光的“分身术”就此完成。而如果光沿光轴传播，o光和e光的偏振都垂直于光轴，其折射率相同，o光和e光不会分开，看起来还是一束光，此时看起来没有双折射现象。这就解释了最开始我们做的方解石的双折射实验。
图4：双折射光线示意图（黑色为入射光，红色为o光，蓝色为e光）
图源：郭知易
二、双折射的应用
各向异性介质的这种特殊的光学特性揭示了晶体能够按照不同的偏振方向对光进行有选择的调控。正因为如此，双折射不仅是光学中的一个有趣的现象，更是一种十分有用的物理效应。
由于o光和e光始终是线偏振光，因此双折射现象是制造各类偏振器件的核心原理。利用方解石晶体的双折射特性制成的尼科耳棱镜，通过特殊角度的设计，可以使穿过晶体的出射光变成线偏振光，其消光比可达105:1，这是光学实验中常用的偏振元件。由于o光和e光在晶体中的传播速度不同，出射时两束光会产生相位差，通过控制合适的晶体厚度，就可以调控这个相位差，这样光的偏振态就会发生改变，这类器件就是波片。此外，利用双折射效应的这种特性还能够分析材料的内部结构，其中一个典型例子就是偏光显微镜。偏光显微镜利用了材料对偏振光的相位调控，可以判断晶体内部的结构信息（图5）。如果晶体取向、分子排列、厚度或应力分布在不同位置并不相同，那么它对偏振光产生的作用也会随位置而变化。
图5：偏光显微镜下呈鲜艳双折射的针状晶体
图源：Light科普坊/视图网
此外，双折射最重要的日常应用之一，就是液晶显示。上个世纪末，许多个人电脑和家庭电视采用的是一种使用阴极射线管（CRT）的显示器（图6a）。它依靠电子束轰击屏幕上的荧光粉发光，因此需要一个体积很大的真空显像管。由于这种显示器搬运不便、体积大、功耗高，而且还容易受电磁干扰、难以实现大屏幕显示，如今早已归入显示行业的历史尘埃里了。但对经历过那个年代的读者来说，它是一代人的集体回忆。而液晶显示技术的思路完全不同（图6b），它不像CRT显示器那样通过电子轰击位置来决定哪里发光，而是有一个背光源（通常为LED），并在前面放置一层可由电压控制的液晶材料，通过调节每个像素的透光量来形成明暗变化。这样，显示器便不再需要庞大的显像管结构，从而解决了CRT显示器难以轻薄化、平板化的关键问题。目前主流的 IPS 液晶显示器采用向列型液晶，液晶分子通常是细长棒状结构，并且具有一定的取向有序性。因此，呈现各向异性的物理特性，使得光在不同方向上传播性质不同。
图6：(a) CRT显示器; (b) 液晶显示器
图源：Light科普坊/视图网
如图7所示，IPS 面板的核心结构是在两片垂直放置的偏振片之间夹着一层液晶分子。电极为水平方向放置，未加电压时，液晶分子沿水平方向均匀排列，经过起偏器的线偏振光的偏振方向不会发生改变，无法透过与之垂直的检偏器，像素呈现暗态；施加电压后，液晶分子在电场的作用下发生一定的旋转扭曲（旋转扭曲程度与所加电压大小有关），此时经过起偏器的入射光的偏振方向与液晶分子有一定角度，入射光被分解为o光和e光，在液晶层中传播后出射时两束光存在光程差，会发生偏振状态的改变，从而实现光强（亮度）的调节。通过调节电压大小，可以精确控制液晶分子的旋转角度，从而实现 0-255 级的灰度调节。由于液晶具有很好的流动性，能够让分子在电场作用下被快速重新排列，从而可以“用电来操控光”。现代 IPS 液晶的响应时间可以达到毫秒量级，能够流畅显示动态画面。
图7：IPS液晶显示器原理示意图[1]
除了天然晶体中固有的双折射，许多原本光学各向同性的材料也可以通过外部手段“人为制造”出双折射，比如电场、磁场、机械力或热应力，这就是诱导双折射。
玻璃、塑料、树脂等非晶材料在制造或使用过程中如果存在残余应力，其内部的分子链会沿应力方向发生定向排列，打破原本的光学对称性，从而产生应力双折射。比如，胶带是我们生活中常见的一种材料，胶带在生产过程中被强烈拉伸，分子链沿着拉伸方向有序排列，残余应力被“冻结”在其中，变成各向异性材料。把胶带放在两个垂直的偏振片之间，如果以白光入射，由于不同波长的光经过胶带后产生的相位差不同，出射时，某些波长的光就会发生干涉而消失或减弱，白光的成分中就会缺少这种颜色，从而呈现它的互补色（图8），这种技术称为显色偏振。利用显色偏振不仅可以观察材料是否存在内部应力、局部缺陷，还能够进一步分析应力分布是否均匀等。在材料加工和光学器件制造中，显色偏振是一种常用的无损检测技术。
图8：应力双折射现象（一幅由胶带制作的彩色画[2]）
三、从双折射晶体到集成光子芯片
如果说方解石让人们第一次直观地看见了双折射，那么铌酸锂则让双折射真正走进了现代光学技术。铌酸锂作为一种性能优异的光学材料，被誉为“光学硅”，广泛用于非线性光学、光通信等领域。铌酸锂是一种单轴晶体，它的内部结构天然具有各向异性，因而是一种双折射晶体。
利用铌酸锂晶体的双折射特性，可以制作激光频率转换器件。例如，一束激光进入铌酸锂晶体后，在一定条件下，出射光的频率变为原来的2倍，这就是倍频效应。其中，入射波称为基频波，出射倍频波称为谐波。倍频是非常重要的二阶非线性光学效应。要实现倍频效应，基频波到倍频波的转换要满足能量守恒和动量守恒，即相位匹配条件。相位匹配条件的物理实质是使基频光与倍频光在晶体内具有相同的传播速度，这样两束光的折射率才会相同，进而具有相同的相位，才能够实现相长干涉，获得最强的倍频信号输出。这就好比大合唱时，所有人歌唱的声音节奏必须和节拍保持一致，歌声才会越叠越响、越听越和谐。但是，对于各向同性的晶体，由于不同波长的光波，在晶体中的折射率不同，因此，基频波和谐波会发生色散，即没有满足相位匹配条件，这种情况下就不能实现较强的倍频信号输出。
对于铌酸锂，由于存在双折射效应，即在同一光波法线方向允许存在两个不同折射率的光波传播。如果基频光或倍频光中，一个偏振态为o光，另一个为e光。那么，在晶体中就有可能利用双折射来抵消由色散引起的相位失配，从而满足相位匹配条件。这种相位匹配方式也叫作双折射相位匹配。
例如，研究人员让一束1064 nm的基频光通过铌酸锂波导，由于波导很细，光被强烈的压缩，因此波导中的光强变得非常强，激发了铌酸锂的二阶非线性效应，可以使得两个红外光子合并成一个绿光光子（图9a）[3]。为了让这种合并过程能够持续进行下去，让基频光以o光的方向传播，倍频光以e光的方向传播，并通过对波导的特殊设计，使得这两束光的折射率相等（图9b红色箭头所指位置，基频光和倍频光的折射率是相同的）。这样两束光的相位在传播过程中就能够保持相同，绿光在传播过程中就会不断增强，从而输出明亮的绿色激光。
图9：利用双折射相位匹配，在铌酸锂波导中产生倍频效应[3]
此外，利用铌酸锂的双折射特性，还可以用于它的逆过程——自发参量下转换。一束高能量的激光进入非线性晶体后，在特定的条件下，可以产生两个低频的光子。由于这两个光子总是成对产生，并且具有量子关联的特性，因此，这种技术常被用来制备纠缠光子对，是目前量子通信和量子信息中重要的量子光源产生技术[4-5]。
除了用作非线性器件外，铌酸锂的双折射特性还常被用于制作调制器。比如，在集成光子芯片中，偏振态是一个重要自由度，往往会影响光传输的效率、信号质量等，因此对光偏振的调制就显得尤为重要。在偏振调制器中，一束光进入铌酸锂晶体后，由于存在双折射效应，会分成o光和e光，并且这两束光的折射率不同，在传播过程中，会产生相位差。加上电场后，这个相位差就会被外加电场调控。相当于给晶体加上一个可调旋钮，通过控制电压大小，就可以改变o光和e光的相位差，从而改变其出射光的偏振状态（图10）。这种器件往往被用作光子集成芯片中的偏振转换、光通信中的信息编码和量子密钥分发等。例如，研究人员在铌酸锂波导x轴方向施加电场，可以将TE（Transverse Electric）模式转换成TM（Transverse Magnetic）模式[6-7]。这样，光的偏振模式就可以在芯片上产生变化，从而可以适配后续光子器件对偏振模式的要求。
图10：一种铌酸锂偏振调制器[6]。通过在x轴方向施加电场，可以将光波的TE模式转换成TM模式
此外，铌酸锂还有一个重要的应用——电光调制器。不过需要注意的是，与前面介绍的偏振调制器不同，电光调制器主要利用的是铌酸锂的电光效应，即利用电场控制折射率的改变，从而控制相位的变化。这一过程可以形象地描述为“用电压拖慢光的移动速度”。通常，这种器件只要实现相位变化即可，即外加电场仅仅改变光的折射率。因此并不需要像偏振调制器那样利用o光和e光之间的相位差，也就是没有直接用到双折射效应。利用铌酸锂的电光效应可以制作相位调制器、相位延迟器、光强调制器等多种器件。例如，在马赫–曾德尔调制器（Mach–Zehnder modulators）中，科研人员将光精准限制在干涉仪的两个波导臂中传播，同时在其中一个波导旁布设电极。当施加电压时，电场会改变铌酸锂折射率，进而使得该路径中的光产生额外的相位延迟；当两束光在输出端汇合时，由于相位差的存在，会发生相长干涉或相消干涉，最终实现光强的变化（图11）。通过快速调节外加电压，就可以实现对光强的高速调制。如今，基于薄膜铌酸锂的电光调制器带宽已经突破100 GHz，广泛应用于光通信等领域。
图11：一种基于铌酸锂的电光调制器[8]
四、结语
双折射现象利用介质的各向异性，使一束光分化出两种不同的传播模式，从而可以实现对光偏振、相位和传播方向的精细调控。它不仅展现了光与物质相互作用中神奇的一面，也让我们得以借助光实现更多的应用。从液晶显示、材料分析再到光的通信，光的“分身术”像魔法一样，为我们打开了一扇重新认识光与物质世界的窗户。不过，这些应用大多利用材料本身的双折射特性，因而会受到材料固有性质的约束，往往存在折射率差小（通常不超过0.1）、工作波段窄、难以满足多样化器件需求等限制。于是，科学家们逐渐开始思考，是否可以通过人工结构设计和材料工程，定制化开发具有特定双折射响应特性的结构或材料？近年来，超表面、二维范德华材料和可重构光子结构正在给出新的答案。例如，在超表面研究领域[9-10]，人们可以在亚波长单元尺度下，对光学各向异性进行设计，使光对任意偏振光都具有双折射，从而拓展偏振光学的应用范围，并使得紧凑且多功能的偏振器件成为可能。此外，研究发现某些二维范德华晶体可以具有很强的面内各向异性[11-12]，可以在纳米厚度下产生显著双折射，为超薄偏振器件和片上光子学提供新的材料基础。由此看来，双折射并不是一个已经讲完的经典现象，而是一个仍在被重新定义的前沿科技。
人类对光的探索从未停止，双折射这一古老而又充满活力的光学效应，仍在不断带给我们新的惊喜。也许，下一次新的发现，就来自你对一束光的好奇与追问。
相关文献
[1] Oh-e M., Yoneya M., and Kondo K., “Switching of negative and positive dielectro-anisotropic liquid crystals by in-plane electric fields”, J. Appl. Phys. 82(2), 528-535 (1997).
[2] Slepkov A. D., “Painting in polarization”, American Journal of Physics 90(8), 617-624 (2022).
[3] Ding T., Tang Y., Li H., Liu S., Zhang J., Zheng Y., and Chen X., “Noncritical birefringence phase-matched second harmonic generation in a lithium-niobate-on-insulator micro-waveguide for green light emission”, Optics Letters 49(5), 1121-1124 (2024).
[4] Zhu Q.-T., Fang X.-X., and Lu H., “Wavelength-tunable and high-heralding-efficiency quantum photon source in a birefringent phase-matched lithium niobate waveguide”, Optics Letters 50(6), 1853-1856 (2025).
[5] Fang X.-X., Du H.-Y., Zhang X., Wang L., Chen F., and Lu H., “High-Efficiency On-Chip Quantum Photon Source in Modal Phase-Matched Lithium Niobate Nanowaveguide”, Laser & Photonics Reviews 19(1), 2400782 (2025).
[6] Yang G., Sergienko A. V., and Ndao A., “Tunable polarization mode conversion using thin-film lithium niobate ridge waveguide”, Optics Express 29(12), 18565-18571 (2021).
[7] Zelin Tan J. Z., Zhihong Zhu, Wei Chen, Zhengzheng Shao, Ken Liu, and Qin S., “Intrinsic polarization conversion and avoided-mode crossing in X-cut lithium niobate microrings”，, Chin. Phys. B 33(6), 64205-064205 (2024).
[8] Wang C., Zhang M., Chen X., Bertrand M., Shams-Ansari A., Chandrasekhar S., Winzer P., and Lončar M., “Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages”, Nature 562(7725), 101-104 (2018).
[9] Shi Z., Zhu A. Y., Li Z., Huang Y.-W., Chen W. T., Qiu C.-W., and Capasso F., “Continuous angle-tunable birefringence with freeform metasurfaces for arbitrary polarization conversion”, Science Advances 6(23), eaba3367 (2020).
[10] Crotti G., Akturk M., Schirato A., Vinel V., Trifonov A. A., Buchvarov I. C., Neshev D. N., Proietti Zaccaria R., Laporta P., Lemaître A., Leo G., Cerullo G., Maiuri M., and Della Valle G., “Giant ultrafast dichroism and birefringence with active nonlocal metasurfaces”, Light: Science & Applications 13(1), 204 (2024).
[11] Guo Q., Zhang Q., Zhang T., Zhou J., Xiao S., Wang S., Feng Y. P., and Qiu C.-W., “Colossal in-plane optical anisotropy in a two-dimensional van der Waals crystal”, Nature Photonics 18(11), 1170-1175 (2024).
[12] Sortino L., “Linear and nonlinear record high optical birefringence in anisotropic van der Waals crystals”, Light: Science & Applications 14(1), 3 (2025).
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