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]

Oluşumu

Çift kırılma doğal olarak rahatça bulunabileceği gibi(özelikle 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)
• Manyetik alan uygulamak maddeyi çembersel olarak çift-kırılır hale getirebilir. (bakınız Faraday effect)
• Polar moleküller kullanılarak üretilen ince filmler, iyi birer çift kırılır maddedir.

Tek eksenli çift kırılır maddelere örnekler

Tek Eksenli Maddeler, 590 nm[5]

Madde	no	ne	Δn
beryl Be3Al2(SiO3)6	1.602	1.557	-0.045
calcite CaCO3	1.658	1.486	-0.172
calomel Hg2Cl2	1.973	2.656	+0.683
ice H2O	1.309	1.313	+0.004
lithium niobate LiNbO3	2.272	2.187	-0.085
magnesium fluoride MgF2	1.380	1.385	+0.006
quartz SiO2	1.544	1.553	+0.009
ruby Al2O3	1.770	1.762	-0.008
rutile TiO2	2.616	2.903	+0.287
peridot (Mg, Fe)2SiO4	1.690	1.654	-0.036
sapphire Al2O3	1.768	1.760	-0.008
sodium nitrate NaNO3	1.587	1.336	-0.251
tourmaline (complex silicate )	1.669	1.638	-0.031
zircon, high ZrSiO4	1.960	2.015	+0.055
zircon, low ZrSiO4	1.920	1.967	+0.047

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.

Hızlı ve yavaş ışınlar

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.

Pozitif ya da negatif

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

Ölçüm

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.

Uygulamaları

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.

Ecza

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.

Kaynakça

1. Erasmus Bartholin, Experimenta crystalli islandici disdiaclastici quibus mira & infolita refractio detegitur [Experiments on birefringent Icelandic crystal through which is detected a remarkable and unique refraction] (Copenhagen, Denmark: Daniel Paulli, 1669). See also: Erasmus Bartholin (January 1, 1670) "An account of sundry experiments made and communicated by that learn'd mathematician, Dr. Erasmus Bartholin, upon a chrystal-like body, sent to him out of Island," Philosophical Transactions of the Royal Society of London, vol. 5, pages 2039-2048.
2. The Science of Color, by Steven K. Shevell, Optical Society of America. Published 2003. ISBN 0444512519
3. "Eric Weisstein's World of Physics on Birefringence". 27 Nisan 2006 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 22 Mayıs 2011.
4. Landau, L. D., and Lifshitz, E. M., Electrodynamics of Continuous Media, Vol. 8 of the Course of Theoretical Physics 1960 (Pergamon Press), §79
5. Elert, Glenn. "Refraction". The Physics Hypertextbook. 6 Haziran 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 11 Haziran 2017.
6. "The Use of Birefringence for Predicting the Stiffness of Injection Moulded Polycarbonate Discs". 25 Temmuz 2011 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 22 Mayıs 2011.
7. Brad Amos.Birefringence for facetors I : what is birefringence? 14 Aralık 2013 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. First published in StoneChat, the Journal of the UK Facet Cutter's Guild. January–March. edition 2005
8. Page 509 in:McClatchey, Kenneth D. (2002). Clinical laboratory medicine. Philadelphia: Lippincott Wiliams & Wilkins. ISBN 0-683-30751-7.
9. Hardy RH, Nation B (Haziran 1984). "Acute gout and the accident and emergency department". Arch Emerg Med. 1 (2). ss. 89-95. PMC 1285204 $2. PMID 6536274.
10. Gianaroli L, Magli MC, Ferraretti AP; ve diğerleri. (Aralık 2008). "Birefringence characteristics in sperm heads allow for the selection of reacted spermatozoa for intracytoplasmic sperm injection". Fertil. Steril. 93 (3). ss. 807-13. doi:10.1016/j.fertnstert.2008.10.024. PMID 19064263.
11. Ebner T, Balaban B, Moser M; ve diğerleri. (Mayıs 2009). "Automatic user-independent zona pellucida imaging at the oocyte stage allows for the prediction of preimplantation development". Fertil. Steril. 94 (3). ss. 913-920. doi:10.1016/j.fertnstert.2009.03.106. PMID 19439291.