Двойное лучепреломление – раздвоение светового луча при прохождении через анизотропную среду, обусловленное зависимостью показателя преломления (а следовательно, и скорости волны) от её поляризации и ориентации волнового вектора относительно кристаллографических осей, т.е. от направления распространения. При падении световой волны на поверхность анизотропной среды в последней возникают две преломлённые волны, имеющие разную поляризацию и идущие в разных направлениях с различными скоростями. Отношение амплитуд этих волн зависит от поляризации падающей волны. Различают линейное и эллиптическое двойное лучепреломление в зависимости от свойств и симметрии кристаллов.
В прозрачных немагнитных кристаллах без пространственной дисперсии происходит линейное двойное лучепреломление – возникают две линейно поляризованных волны, векторы индукции которых D₁ и D₂ взаимно ортогональны и соответственно ортогональны векторам магнитного поля Н₁ и Н₂. Двойное лучепреломление в кристаллах можно описать, приведя тензор диэлектрической проницаемости ε к главным осям и задав значения: ,  , – «главные показатели преломления». Величину двойного лучепреломления обычно описывают максимальной разностью |Δn| этих показателей преломления. При прохождении света через границу двух анизотропных сред происходит более сложное преобразование двух падающих волн в две преломлённые.
В прозрачных магнитных кристаллах без пространственной дисперсии также имеет место линейное двойное лучепреломление, однако векторы индукций (электрической D и магнитной B) в двух волнах не ортогональны. Двойное лучепреломление в этом случае является следствием того, что электрическая и магнитная проницаемости ε и μ описываются различными тензорами; в гипотетической среде, где (γ – скаляр), двойное лучепреломление отсутствовало бы (но скорости волн зависели бы от направления).
В прозрачных немагнитных кристаллах с пространственной дисперсией первого порядка – гиротропией – падающая волна распадается на две волны (идущие по разным направлениям с разными скоростями), поляризованные эллиптически, причём соответственные оси эллипсов D₁ и D₂ ортогональны, а направления обхода этих эллипсов противоположны – происходит эллиптическое двойное лучепреломление. В некоторой области частот возможно появление даже большего числа волн – 3 или 4.
В кристаллах, обладающих поглощением, картина двойного лучепреломления более сложна. Как известно, волны в поглощающих средах неоднородны; векторы E, D и Н, В в общем случае поляризованы эллиптически, причём эллипсы различны и ориентированы по-разному. Поэтому в общем случае имеет место эллиптическое двойное лучепреломление; эллипсы векторов двух волн D₁ и D₂ подобны, ортогональны и имеют одно направление обхода, но разные размеры вследствие анизотропии поглощения. То же имеет место для векторов В₁ и В₂, но эллипсы их отличаются от первых формой и ориентацией (ориентации совпадают лишь при круговой поляризации).
В зависимости от свойств симметрии анизотропной среды в ней имеется несколько избранных направлении, в которых двойное лучепреломление отсутствует; эти направления называются оптическими осями. Могут быть оси изотропные, вдоль которых волны любой поляризации распространяются с одинаковой скоростью, и оси круговые, вдоль которых без двойного лучепреломления может распространяться лишь волна определенного знака круговой поляризации. Прозрачные кристаллы низших сингоний обычно имеют две изотропные оси, при симметрии выше 222 D₂ они сливаются в одну. При наличии поглощения кристаллы низших сингоний имеют одну изотропную ось (в частном случае ромбической сингоний – две) и (или) несколько круговых.
Двойное лучепреломление может наблюдаться не только в естественно-анизотропной среде, но и в среде с искусственной анизотропией, вызванной асимметричными деформациями, внутренними натяжениями (Фотоупругость), приложением акустического поля ( Акустооптика), приложением электрических (Керра эффект) или магнитных (Коттона – Мутона эффект) полей, анизотропным нагревом. В жидкостях возможно создание двойного лучепреломления в потоке, если молекулы жидкости или растворённого вещества обладают несферической формой и анизотропной поляризуемостью. Явление, аналогичное двойному лучепреломлению, наблюдается и в других диапазонах электромагнитных волн, например в диапазоне сверхвысоких частот в плазме, находящейся в магнитном поле, (а следовательно, анизотропной).

 

 Двойное лучепреломление в некоторых кристаллах

Кристалл	n0	neмакс	D=neмакс–n0
Исландский шпат	1,65836	1,48639	-0,17197
Кварц	1,5442	1,5533	+0,0091
Каломель	1,9733	2,6559	+0,6826
Натриевая селитра	1,587	1,336	-0,251

 

Одним из применений двулучепреломления является управление световыми сигналами. Из всех сигналов свет распространяется с максимальной скоростью. Поэтому понятно стремление использовать в информатике оптические сигналы. Но в отличие от электромагнитных, их трудно изменять и вообще обрабатывать. Практически единственная здесь возможность — это применить кристаллы.

Гладкие грани кристалла кальцита образуют так называемый ромбоэдр – фигуру, каждая грань которой – параллелограмм. Если посмотреть через этот прозрачный кристалл на текст или рисунок, то линии его двоятся. Эти кристаллы известны очень давно. Когда-то предприимчивые моряки привозили их для забавы из Исландии, за что они получили название «исландский шпат». Химическая формула очаровывает своей простотой: СаСО₃ – углекислый кальций, кальцит. Двоение изображения, наблюдаемое с помощью исландского шпата. – это проявление двойного лучепреломления. Все знают из курса физики, как трудно понять и объяснить это явление, какие сложные чертежи и расчеты для этого необходимы. А кристалл кальцита легко выполняет эту операцию. Посмотрите на рисунок. На нем показано двойное лучепреломление лазерных лучей (зеленого λ= 530 нм и красного λ=632,8 нм). Лучи, прошедшие через кристалл исландского шпата, полностью поляризованы, а следовательно полностью гасятся поворотом анализатора – второй пластинки исландского шпата, через которую ведется наблюдение. То же может совершить кристалл кварца, турмалина. Есть искусственные кристаллы, выполняющие такую операцию безукоризненно, и другие менее известные кристаллы природного или искусственного происхождения.

Двулучепреломление также применяется в устройстве матрицы CCD. Твердотельный датчик формирует сигналы, дискретизованные не только по строкам, но и поэлементно. В данном случае минимальные размеры деталей изображения должны превышать некоторую величину, точно связанную с пространственным шагом дискретизации, роль которого выполняет размер пиксела. Если условия соблюдены, то пространственные спектры деталей не перекрываются. Но если в изображении окажутся детали, меньшие допустимых, спектры начнут перекрываться. В этом случае при нелинейном преобразовании сигналов в матрицы перекрывающиеся зоны спектров образуют биения на разностных частотах, смещенным к низким частотам. Чаще всего они проявляются в виде муаров. Поэтому матрице предшествует фильтр нижних частот. Обычно это пластинка, приклеиваемая к выходным торцам цветоделительного блока. Пластинки изготавливаются из любого анизотропного кристалла. На практике чаще всего применяются одноосные кристаллы. Оптические фильтры используют хорошо известный в кристаллооптике эффект двойного лучепреломления.

Для рассматриваемого применения наиболее эффективны срезы кристалла, где оптическая ось параллельна пластине, а луч падает ортогонально, как показано на рисунке 2. В любой анизотропной среде неполяризованный световой луч распадается на два с ортогональными направлениями поляризации. В нашем случае это будет ординарный или обыкновенный луч, он поляризован ортогонально плоскости рисунка. Другой - экстраординарный или необыкновенный, он поляризован вдоль оптической оси. К нему относится термин "двойное лучепреломление". Фазовый фронт этого луча распространяется в одном направлении (в нашем варианте вместе с обыкновенным лучом), а энергия или луч в другом. Поэтому лучи, а значит и переносимые ими изображения расщепляются на расстояние, равное произведению угла сноса на толщину пластины. Сам угол сноса пропорционален разности коэффициентов преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Обычно используют несколько таких пластин, например четыре, где оси развернуты на 45^о, по отношению друг к другу, или, скажем, шесть с разворотом осей на 30^о. Задача сводится к равномерному покрытию точками сдвига минимально разрешенной области. При преобразовании в фотодатчике произойдет усреднение сигнала по площади сдвигов, что вычеркнет или существенно ослабит малые детали, а следовательно и опасность возникновения муаровых помех.

Гош и Фишер показали, что обнаруженный ими эффект может оказаться весьма полезным для чувствительного анализа оптической активности неизвестных соединений, взятых в следовых количествах, что, в свою очередь может пригодиться в медицинской диагностике или в наноприборах ближайшего будущего.
Для простого доказательства практической значимости своего открытия исследователи заполнили смесью право- и левовращающих форм лимонена ячейку размером в несколько сотен микрон, после чего, измерив точные значения углов преломления, определили точное соотношение взятых оптических антиподов.

В некоторых кристаллах, таких, как турмалин, двойное лучепреломление хотя и имеет место, обыкновенный луч почти полностью поглощается, а выходящий луч является плоскополяризованным. Тонкие плоскопараллельные пластинки, изготовленные из таких кристаллов, очень удобны для получения поляризованного света, хотя поляризация в этом случае и не является стопроцентной. Более совершенный поляризатор можно изготовить из кристалла исландского шпата (прозрачная и однородная разновидность кальцита), определенным образом разрезав его по диагонали на два куска и склеив их затем канадским бальзамом. Показатели преломления этого кристалла таковы, что если разрез сделан правильно, то обыкновенный луч претерпевает на нем полное внутреннее отражение, попадает на боковую поверхность кристалла и поглощается, а необыкновенный проходит через систему. Такая система называется николем (призмой Николя). Если два николя расположить друг за другом на пути светового луча и ориентировать так, чтобы проходящее излучение имело максимальную интенсивность (параллельная ориентация), то при повороте второго николя на 90° поляризованный свет, даваемый первым николем, через систему не пройдет, а при углах от 0 до 90° пройдет лишь часть первоначального светового излучения. Первый из николей в этой системе называется поляризатором, а второй – анализатором. Поляризационные фильтры (поляроиды), хотя они и не являются столь совершенными поляризаторами, как николи, дешевле и практичнее. Они делаются из пластмассы и по своим свойствам сходны с турмалином.