Techniklexikon

Kristalloptik

OptikFestkörperphysik, beschreibt das optische Verhalten von Kristallen im sichtbaren Wellenlängenbereich. Die optischen Eigenschaften eines Kristalls werden u.a. von der Kristallstruktur, der Polarisierbarkeit, der Packungsdichte und der Bindung innerhalb des Kristalls bestimmt. Man unterscheidet zwischen isotropen Kristallen mit kubischem Aufbau, bei denen die optischen Eigenschaften unabhängig vom Winkel zwischen Wellenvektor und Kristallachse sind, und anisotropen Kristallen mit nicht-kubischem Aufbau, bei denen eine Winkelabhängigkeit der Eigenschaften besteht. Bei den anisotropen Kristallen unterscheidet man ausserdem zwischen optisch einachsigen Kristallen (hexagonale, trigonale und tetragonale Kristalle) sowie optisch zweiachsigen Kristallen (rhombische, monokline und trikline Kristalle). Anisotrope Kristalle zeigen aufgrund der irregulären Gitterstruktur Effekte wie Doppelbrechung, Polarisation, Pleochoismus, Interferenz und optische Aktivität.

Vom Standpunkt der Maxwellschen Theorie des Lichtes beruht die Ausbreitung von Licht im Kristall auf dem proportionalen, aber räumlich i.a. verschiedenen Verhältnis zwischen elektrischer Feldstärke E und elektrischer Verschiebung D, der in isotropen Medien durch eine skalare, in anisotropen Materialien durch eine tensorielle Proportionalität e gegeben ist, D = eE, also durch ein System dreier linearer homogener Gleichungen, die durch Hauptachsentransformation die Form

D_x = e₁ E_x

D_y = e₂ E_y

D_z = e₃ E_z

annehmen.

Die drei Hauptachsen stehen in engem Zusammenhang mit den geometrischen Symmetrieachsen des Kristalls.

Die Vektoren von D und E bilden also einen mit der jeweiligen Orientierung veränderlichen Winkel zueinander. Die physikalischen Phänomene wie Doppelbrechung und Polarisation von Lichtwellen in einem Kristall lassen sich einfach beschreiben, wenn das Indexellipsoid zur Veranschaulichung benutzt wird. Die Fähigkeit optisch aktiver Kristalle, die Polarisationsebene des Lichtes zu drehen, wird u.a. in LCDs ausgenutzt.

Kristalloptik: a) Schnitt durch die Wellenfläche eines optisch einachsigen (links) und eines optisch zweiachsigen (rechts) Kristalls. b) Schnitt durch die Wellennormalenfläche eines optisch einachsigen (links) und optisch zweiachsigen (rechts) Kristalls.