Kristaloptiek

Kristaloptiek, ook wel kristaloptica of optische kristallografie is de tak der wetenschap die zich bezighoudt met de bestudering van de optische eigenschappen van kristallen (meestal van mineralen). Kristallen zijn per definitie anisotrope media, waarin licht zich anders gedraagt naarmate de hoek waaronder dat licht invalt, verschilt. Het meest gebruikte instrument hierbij is de polarisatiemicroscoop, waarmee men optische eigenschappen als: interferentie, dubbele breking en in het bijzonder het vermogen van anisotrope media om het polarisatievlak, kan bepalen.

Een isotroop mineraal is een mineraal dat in alle richtingen gelijke optische eigenschappen heeft. De brekingsindex van zo'n mineraal is in alle richtingen gelijk, en het mineraal is optisch isotroop.

Vulkanische en andere natuurlijke soorten glas zijn isotroop, net als kubische kristallen. Bij een kubisch kristal zijn de bindingen tussen atomen in het kristalrooster in alle richtingen even sterk. Bij een glas is de structuur willekeurig, zodat er gemiddeld in alle richtingen evenveel bindingen lopen. Daardoor gedraagt licht zich in deze media in alle richtingen op dezelfde manier, onder welke hoek het ook door het medium beweegt.

Wanneer men dit zou toepassen op een elektrisch veld, met de zogenoemde wetten van Maxwell, wordt de relatie tussen het elektrisch verplaatsingsveld D en het elektrisch veld E gegeven door:

${\displaystyle \mathbf {D} =\varepsilon _{0}\mathbf {E} +\mathbf {P} }$

met ε₀ de permittiviteit van vrije ruimte en P de elektrische polarisatie.

Anisotrope mineralen die een hexagonale, trigonale, tetragonale, orthorombische, monokliene of trikliene kristalstructuur hebben (structuren met een lagere symmetrie) hebben niet in alle richtingen even sterke bindingen in hun kristalrooster (daardoor kunnen de elektronenwolken rond de atomen niet in alle richtingen even goed vibreren). Daardoor is de brekingsindex (en daarmee de lichtsnelheid) niet in alle richtingen gelijk.

Een eigenschap van anisotrope mineralen is dat licht dat het mineraal binnenvalt dubbelbreking ondergaat: het wordt in twee stralen van lineair gepolariseerd licht gebroken die loodrecht op elkaar oscilleren (trillen). Bij een richting van lichtinval waarbij geen dubbelbreking optreedt spreekt men van een optische as. Er zijn twee typen anisotrope kristallen: een uniaxiaal kristal heeft één optische as, een biaxiaal kristal heeft er twee. Uniaxiale kristallen zijn kristallen die een tetragonale of hexagonale kristalstructuur hebben. Biaxiale kristallen zijn orthorombisch, monoklien of triklien.

In een anisotroop medium, zoals een kristal, ligt het polarisatie veld P niet per se in hetzelfde vlak als het elektrische veld van het licht, E.

Kristaloptiek wordt gebruikt bij onderzoek met behulp van slijpplaatjes, waarbij verschillende mineralen ander gedrag vertonen. Hiermee kan een bepaald mineraal worden gedetermineerd of juist uitgesloten. Een extra hulpmiddel hierbij is het gipsplaatje.

• Een virtuele polarisatie microscoop