Çift kırılma

Çift kırılma (ya da ikili kırılma), bir ışının (foton huzmesi) anisotropik (eşyönsüz) maddelerden geçerken iki ışına ayrışmasıdır. Kalsit ya da boron nitrit bu türden maddelere örnek olarak verilebilir. Bu etki ilk olarak Danimarkalı bilim adamı Rasmus Barthonlin tarafından 1669da kalsit üzerinde gözlemlendi.^[1] Bu etkinin belli plastik, manyetik, çeşitli kristal yapıda olmayan maddeler ve sıvı kristallerde de olur.^[2]

Bu etkiye verilecek en basit örnek tek eksenli eşyönsüz maddelerde görülür. Yani, maddenin yapısında bulunan bir simetri ekseni ona dik düzlemlerde ona denk başka simetri eksenlerine sahip değildir. (Böylece kübik kristaller elenmiş oluyor.) Bu eksene maddenin optik ekseni denir ve bu eksene paralel ya da dik polarizasyonlarda gelen ışığın kırılma indisi farklıdır. Bu indislerin simgesi ne ve no dur. (e o ve İngilizce extraordinary (sıra dışı) ve ordinary(sıradan) kelimelerinin baş harfleridir. Bu isimler gösterir ki; eğer apolarize bir ışık bir maddeye optik eksenle sıfırdan büyük bir dar açı yaparak gelirse, eksene dik polarize olmuş bileşen standart kırılma yasasına göre kırılacaktır. Aynı zamanda tümleyen bileşen ise standart olmayan-geliş açısına ve kırılma indislerinin farkına göre belirlenen- bir açıyla kırılacaktır. Kırılma indisleri arasındaki fark çift kırılma büyüklüğü olarak bilinir:

${\displaystyle \Delta n=n_{e}-n_{o}\,}$

Böylelik ışık doğrusal biçimde polarize olmuş sıradan ve sıra dışı olarak adlandırılan iki ışına ayrılır.^[3] Işık optik eksene paralel ya da dik giderken istisnalar oluşabilir. İlk durumda, hem polarizasyon hem de ışınlar sıradandır ve ayrılmazlar. İkinci durumda ise, bileşenlere ayrılma olmaz fakat iki bileşen farklı hızlarda hareket ederler ve bu etki doğrusal polarizasyonla çembersel ya da elipssel polarizasyon arasında dönüşüm yapmak için kullanılabilir.

Çift kırılma aynı zamanda çift eksenli anizotropik maddelerde de oluşur, buna üçlü kırılma da denir, ama onun tanımı tabiî ki daha karmaşıktır.^[4]

Çift kırılma doğal olarak rahatça bulunabileceği gibi (özellikle kristallerde), optik olarak isotropik maddelerde de oluşması için çeşitli yöntemler vardır:

• Esnetme eğriltme gibi yöntemlerle madde isotropisi bozularak elde edilebilir. Örneğin5 Haziran 2011 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
• Elektrik alan uygulanarak isotropi bozulabilir. (bakınız Pockels effect)
• Ses dalgası ile izotropik bir madde anizotropik hale getirilebir. (Akusto-optik etki)
• Manyetik alan uygulamak maddeyi çembersel olarak çift-kırılır hale getirebilir. (bakınız Faraday effect)
• Polar moleküller kullanılarak üretilen ince filmler, iyi birer çift kırılır maddedir.

Bu alanda en iyi çalışılabilen maddeler kristallerdir. Silikon carpit özellikle iyi bir çift kırılır maddedir.

Birçok plastik çift kırılma gösterir, çünkü yapılarındaki maddeler ‘donmuş’ halde bulunurlar.^[6] Örneğin selefon ucuz bir çift kırılır maddedir ve Polaroid levhalar genellikle diğer plastiklerin çift kırılma yönünü bulmakta kullanılır. Çift kırılır maddeler ışığın polarizasyonunu değiştiren birçok alette kullanılır. Bakınız polarize prizmalar, and Lyot filtreleri.

Yukarıda da belirtildiği gibi manyetik maddelerde de bu özellik gözlemlenebilir, ama optik frekanslar da bu özellik nadir olarak ortaya çıkar.

Çift kırılma amiloid plaklarda da gözlemlenebilir, Alzheimer hastalarının beyinlerinde bu maddeden vardır. İmmunoglobulin gibi değiştirilmiş proteinler hücrelerin arasında birikerek fibrilleri oluştururlar. Çok katlı bu fibril yapılar polarize ışık altında incelendiğinde çift kırılma gösterirler.

Pamuk iplikçikleri ikincil hücre çeperindeki yüksek seviyedeki selülozdan dolayı çift kırılırdır. Optik fiberlerdeki ufak pürüzler çift kırılmaya yol açabilir ki bu da iletişimde bozulmaya sebep olur. Bu pürüzler geometrik hatadan ya da fotoelastik etkilerden kaynaklanabilir.

Tek eksenli negatif maddelerin kırılma indsileri

İlerleme yönü	Sıradan ışın		Sıra dışı ışın
	Polarizasyon	neff	Polarizasyon	neff
z	xy-plane	${\displaystyle n_{o}}$	n/a	n/a
xy-plane	xy-plane	${\displaystyle n_{o}}$	z	${\displaystyle n_{e}}$
xz-plane	y	${\displaystyle n_{o}}$	xz-plane	${\displaystyle n_{e}<n<n_{o}}$
diğer	xz düzlemine benzer

Genellikle maddeler için öyle iki polarizasyon yönü vardır ki madde tek bir kırılma indisi varmış gibi davranır. Tek eksenli maddelerde, bu polarizasyonlar sıradan ve sıra dışı olarak adlandırılırlar (e ve o). Çift eksenli maddelerde ise buna benzer üç tane indis vardır ve iki ışın yavaş ve hızlı olarak adlandırılırlar. Yavaş ışın en yüksek kırılma indisine sahiptir. Tek eksenli maddelerde z-ekseni optik eksen olarak tanımlanır. xz düzleminde ilerleyen ışınların indisi ${\displaystyle n_{o}}$ ve ${\displaystyle n_{e}}$ arasında z ekseni ile yaptığı açıya göre değişir.

Tek eksenli çift kırılır maddeler pozitif ve negatif olmak üzere ikiye ayrılır. Eğer optik eksen doğrultusunda gelen ışığın kırılma indisi, eksene dik gelen ışığınkinden büyükse pozitif; küçükse negatiftir.^[7] Diğer bir deyişle, pozitif çift kırılmaya sahip maddelerde, yavaş ışığın polarizasyonu optik eksene paraleldir ya da tam tersi.

Çift eksenli kristallerde, eğer yavaş(ya da hızlı) ışın optik eksenle oluşan dar açıyı ikiye bölerse madde pozitif(negatif) çift kırılmaya sahiptir.^[8]

Pratikte, kırmızı ışık yayan optik düzenleyici kullanırken, pozitif çift kırılır madde mavi gözükür; negatif ise sarı gözükür. Bunun sebebi pozitif çift kırılmaya sahip maddelerde yayılan ışığın dalgaboyu daha fazla kayar; çünkü yavaş ışın, düzenleyicinin yavaş eksenine paraleldir. Bu şekilde elde edilen ışık tayfında renklerin sırası tipik bir tayftan farklıdır: sarı-turuncu-kırmızı-mor-mavi

Çift kırılma ve ilgili optik etkiler (optik rotasyon gibi) maddeden geçen ışığın polarizasyonundaki değişimlerle ölçülür. Bu ölçümlere polarimetre denir.

Lipid ikili-katmanlarının çift kırılması ikili polarizasyon interferometresiyle ölçülür. (dual polarisation interferometry) Bu katmanlardaki sıranın derecesinin ölçümünü verir ve diğer biomoleküllerle etkileşmenin bu sıraya nasıl etki ettiğini. Optik mikroskopların genel bir özelliği bir çift polarize filtreye sahip olmalarıdır. Bu çapraz polarize filtrelerin arasında, çift kırılır bir madde koyu bir arka planda parlak olarak gözükür.

Kalsiyum karbonat, kalsit gibi sabit bileşiklerde, kırılma indisi gelen ışığın yönüne bağlıdır. Kırılma aynı zamanda bileşiğe de bağlıdır ve Gladstone-Dale bağıntısı kullanılarak hesaplanabilir.

Çift kırılma, LCD’ler, ışık ayarlayıcıları, renk filtreleri, dalga levhaları, optik eksen ızgaraları gibi birçok optik alette kullanılır. Aynı zamanda ikinci harmonik oluşumu gibi doğrusal olmayan işlemlerde önemli rol oynarlar.

Elektronik kameralarda alçak frekansları geçiren filtreler olarak kullanılırlar. Kristalin kalınlığı kontrol edilerek görüntü bir tarafa dağıtılabilir. Bu bütün televizyonların ve elektronik kameraların doğru çalışabilmesi için önemlidir.

Çift kırılma medikal tanılarda kullanılır. Gut hastalarından alınan sıvı negatif çift kırılma gösterir. (Urate kristalleri) Kalsiyum pyrophosphate ise pozitif kırılım gösterir.^[9] Böylece düzenleyici filtre altında kırmızı ya da sarı renklere bakılarak ayırt edilebilirler.

Göz biliminde ise, lazer polarimetresi tarayıcısı retinadaki sinir ağ tabkalarının çift kırılma özelliğini kullanarak kalınlığını ölçer, bu da glokom hastalığının değerlendirilmesinde kullanılır.

Sperm başlarının çift kırılma özelliği, yapay döllenmede sperm seçmek için kullanılır.^[10] Benzer biçimde, en yüksek olasılıklı döllenmeyi sağlamak için yumurtayı seçmede kullanılır.^[11] Bunların yanı sıra silikoz hastalığının tespitinde de kullanılır.