Природа оптических свойств кристаллов определяется характером взаимодействия электромагнитного излучения с упорядоченной структурой вещества. Основными факторами, влияющими на оптическое поведение кристаллов, являются кристаллографическая анизотропия, химический состав, электронная структура атомов и ионов, а также наличие дефектов решетки.
Преломление света в кристаллах описывается показателем преломления (n), который для анизотропных кристаллов является тензорной величиной. В однородных изотропных кристаллах, таких как кристаллы кубической системы, показатель преломления одинаков во всех направлениях. В кристаллах низкой симметрии, например моноклинных и триклинных, наблюдается двуокулярное или многоокулярное преломление.
Явление двупреломления возникает вследствие различной скорости распространения света вдоль различных кристаллографических направлений. Векторы электрической поляризации света взаимодействуют с анизотропной электронной средой, что приводит к разделению падающего луча на два слабо взаимодействующих ортогональных луча: обыкновенный и необыкновенный. Степень двупреломления определяется разностью показателей преломления этих лучей:
[ n = n_e - n_o]
где (n_e) — показатель преломления необыкновенного луча, (n_o) — показатель преломления обыкновенного.
Оптические свойства в видимом и ультрафиолетовом диапазоне зависят от электронных переходов в атомах и ионах кристалла. Поглощение света связано с возбуждением электронов из валентной зоны в проводящую или из внутренних электронных оболочек в более высокоэнергетические состояния.
Для многих оксидов и силикатов характерна избирательная абсорбция в видимой области, что объясняет богатое разнообразие цветов минералов.
Некоторые кристаллы обладают способностью светиться при возбуждении ультрафиолетом, рентгеновскими или катодными лучами. Энергетические уровни, связанные с замещающими ионами или дефектами решетки, создают локализованные состояния, способствующие накоплению энергии и последующему излучению.
Кристаллы, лишённые центра симметрии, могут проявлять оптическую активность: вращение плоскости поляризации проходящего света. Степень вращения зависит от длины волны, температуры и направления распространения луча относительно кристаллографических осей.
Циркулярное дихроизм возникает, когда левый и правый циркулярно поляризованный свет поглощается по-разному. Это свойство широко используется для изучения кристаллов с хиральными центрами и органических комплексов.
Некоторые кристаллы проявляют нелинейные оптические эффекты, такие как удвоение частоты света (SHG), суммарное или разностное частотное смешение. Эти эффекты возможны только в анизотропных кристаллах, лишённых центра инверсии.
Ключевые характеристики нелинейных кристаллов:
Примеры: кристаллы LiNbO₃, KDP, BBO.
Дефекты кристаллической решетки, включая вакансии, междоузельные атомы и дислокации, существенно влияют на оптические свойства:
Примеси и легирование используются для настройки оптических свойств кристаллов в фотонных и лазерных материалах.
Основные методы изучения оптических свойств кристаллов:
Эти методы позволяют количественно и качественно описывать оптические характеристики, связывая их с кристаллохимической структурой и электронными свойствами материала.
Оптические свойства кристаллов являются неотъемлемой частью их физико-химической характеристики, напрямую отражают симметрию, строение и состав решетки, а также наличие дефектов и легирующих примесей. Эти свойства лежат в основе применения кристаллов в лазерной технике, оптоэлектронике, минералогии и фотонике.