Materiales Birrefringentes

Los materiales cristalinos pueden tener diferentes índices de refracción asociados con diferentes direcciones cristalográficas. Una situación común en los cristales minerales es, que tienen dos índices de refracción distintos y por ello se llaman materiales birrefringentes (doble refracción). Si las direcciones y y z son equivalentes en términos de las fuerzas cristalinas, entonces el eje x es único y se llama eje óptico del material. La propagación de la luz a lo largo del eje óptico sería independiente de su polarización; su campo eléctrico en cualquier lugar es perpendicular al eje óptico y se llama onda ordinaria u onda o-. La onda de luz con un campo eléctrico paralelo al eje óptico se llama onda extraordinaria o onda e-. Los materiales birrefringentes se usan ampliamente en óptica como prismas polarizantes y placas de retardo tales como la placa de cuarto de onda. Al poner un material birrefringente entre polarizadores cruzados pueden surgir colores de interferencias.

La calcita es un material birrefringente ampliamente utilizado. Su birrefringencia es extremadamente grande, con índices de refracción para los rayos o- y e- de 1,6584 y 1,4864 respectivamente.

Orígen de la BirrefringenciaAlgunos Materiales Birrefringentes
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Conceptos de Polarización

Referencia
Hecht
Sec. 8.4
 
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Origen Cristalográfico de la Birrefringencia

La propiedad llamada birrefringencia tiene que ver con la anisotropía de las fuerzas de unión entre los átomos que forman un cristal, por lo que se puede visualizar como los átomos que teniendo "resortes" más fuertes, los mantienen juntos en algunas direcciones cristalinas. Una situación útiles con minerales cristalinos se produce cuando hay dos índices de refracción distintos, y se llaman materiales birrefringentes. Esto se asocia con los cristales uniaxiales, que pertenecen a los sistemas de cristales hexagonales, tetragonales y trigonales. En un cristal uniaxial, existe una dirección tal que cualquier luz en esa dirección en el cristal tiene la misma velocidad, independientemente de su estado de polarización. Esta dirección se llama eje óptico. El resto de sistemas cristalinos (ortorrómbico, monoclínico y triclínico) tiene dos ejes ópticos y se dice que son biaxiales.

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Algunos Materiales Birrefringentes

Dos índices de refracción caracteriza a los materiales birrefringentes. Tales materiales forman cristales uniaxiales y basándose en la comparación de los índices, se pueden caracterizar como cristales uniaxiales positivos o negativos.

Turmalina
1,669
1,638
Calcita
1,6584
1,4864
Cuarzo
1,5443
1, 5534
Nitrato de sodio
1,5854
1, 3369
Hielo
1,309
1,313
Rutilo (TiO2 )
2,616
2,903
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Calcita

El mineral calcita, tambien conocido como espato de Islandia, es un material ampliamente usado en la óptica debido a su birrefringencia. Esta es tan grande que un cristal de calcita colocado sobre un punto de una página, revelará dos imágenes distintas del punto. Una imagen permanecerá fija cuando se gire el cristal. A ese rayo a través del cristal se le llama "rayo ordinario" ya que se comporta como un rayo a través del cristal. Sin embargo, la otra imagen rotará con el cristal, trazando un pequeño círculo alrededor de la imagen normal. Este rayo es llamado "rayo extraordinario".

Los índices de refracción de los rayos o- y e- son 1,6584 y 1,4864 respectivamente. Esto da unos ángulos críticos para una reflexión interna total de 37,08° para el rayo o-, y 42,28° para el rayo e- en contacto con el aire. Esto significa que para cualquier ángulo entre estos dos valores, el rayo o- será reflejado totalmente pero el rayo e-, será parcialmente transmitido. Esto proporciona una polarización lineal, puesto que solamente emerge el rayo e-.

La calcita se usa en los prismas polarizantes, tales como el prisma Nicol, el prisma Glan-Foucault, y el prisma Wollaston.

Una simple demostración de la gran refringencia de la calcita, consiste en dibujar un punto sobre un trozo de papel y colocarle encima el cristal de calcita. Se verán dos puntos distintos. Poniendo una pieza de polaroid sobre el cristal y girándola, se puede ver que las dos imágenes del punto están constituidas por luz polarizada con 90º de diferencia entre ellas. Girando el polaroid se verá un punto, luego ambos puntos en transición y luego el segundo punto conforme se llega a los 90º de giro.

Doble Imagen con la Calcita
Variedades Minerales de Calcita
¡Un Gran Cristal de Calcita!
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