Фактически в рассказе о поляризаторах мы упомянули двойное лучепреломление — различное преломление лучей в кристалле с оптической осью, зависящее от поляризации света. Двойное лучепреломление наряду с поперечной поляризацией, просто преломлением, отражением, интерференцией, дифракцией и рассеянием входит в число семи важнейших свойств света.

Пусть в нашем распоряжении имеется поляризованный свет. Рассмотрим, как он проходит сквозь кристалл в зависимости от ориентации оптической оси кристалла. Проще всего разобраться в этом, когда свет падает на поверхность кристалла вертикально. Пусть оптическая ось кристалла параллельна поверхности и составляет с направлением поляризации света угол либо 0, либо 90°. Вследствие вертикального падения луч света в обоих случаях проходит через кристалл, не преломляясь. Не изменяется и поляризация луча, потому что первичная и вторичные волны одинаково поляризованы: параллельно оптической оси в случае (а) и перпендикулярно к ней в случае (б). Но скорости света оказываются разными Это и не удивительно, так как электроны смещаются полем первичной волны в случае (а) сильнее, чем в случае (б) (если молекулы легче поляризуются вдоль своих длинных осей). Поэтому и результаты интерференции первичной и вторичных волн здесь совершенно различны. Если бы оптическая ось кристалла была перпендикулярна поверхности, то тогда скорость как угодно поляризованного света, падающего вдоль оси, была бы одной и той же. Ведь в этом случае все направления поперек оси совершенно равноправны.

Теперь несколько усложним наш опыт. Пусть оптическая ось кристалла, параллельная его поверхности, составляет угол 45° с направлением поляризации света. Вектор Е в падающей волне имеет две составляющие: Ец (параллельна оси) и Ех (перпендикулярна оси): Под действием полей Ец и Ех в кристалле возникает два сорта диполей, которые по-разному будут излучать вторичные волны. Эти разные волны, интерферируя ~ первичной волной, сформируют два различных луча света, проходящих параллельно сквозь кристалл. Поляризации этих лучей взаимно перпендикулярны, и скорости света 1>ц и их у них различны. Оба луча, пройдя сквозь пластинку кристалла с разной скоростью, выйдут из нее с различным запаздыванием. Может оказаться так, что на выходе в какой-то момент Ех=0, а Еп имеет максимальное значение. Тогда в следующие моменты времени Eg начнет уменьшаться, а Ех— нарастать. В результате сумма составляющих — вектор Е — будет со временем поворачиваться, например, по кругу. Такую поляризацию называют круговой.

Увеличив толщину пластинки в два раза, мы в два раза увеличим отставание одного луча от другого. В результате в один и тот же момент времени Е^ будет иметь максимальное положительное значение, a Eg — максимальное отрицательное. В последующие моменты поля Fj и Ех будут в такт изменять свои значения до нуля, затем изменять свои знаки и т. д. Это означает, что сумма Е=Ец +Ej_ будет изменяться со временем вдоль прямой линии. Однако такая линейная поляризация будет повернута на 90° по сравнению с линейной поляризацией на входе в кристалл. Таким образом, выбрав подходящий кристалл с оптической осью, можно управлять поляризацией света и, в частности, поворачивать ее. Интересно, не правда ли?!

Можно, в принципе, сделать еще более хитрую оптическую систему, сложив в стопку тонкие кристаллические пластинки так, чтобы оптическая ось каждой следующей пластинки оказалась повернутой на малый угол а по отношению к предыдущей. Толщину пластинок надо подобрать так, чтобы и полное поле Е на выходе из каждой пластинки также поворачивалось на угол а. Тогда на выходе из стопки поляризация света окажется повернутой на угол 90° по отношению к поляризации падающего света. Правда, это технически очень сложная задача: слои должны быть очень тонкими, угол а — очень маленьким, и все необходимо сделать с большой точностью. Теперь наступил подходящий момент рассказать о загадочных двойниках, наблюдаемых сквозь некоторые кристаллы. Это тоже результат двойного лучепреломления, еще более необычного. Луч, поляризованный перпендикулярно оси кристалла, проходит по прямой насквозь. Это обычный луч. Он создан интерференцией первичной и вторичных волн, поляризованных совершенно одинаково перпендикулярно оптической оси. Другое дело луч, поляризация которого лежит в одной плоскости с осью кристалла. Поле падающей волны имеет здесь две составляющие: вдоль и поперек оптической оси (изображены пунктиром). Поэтому вторичные волны в кристалле излучаются как вдоль оси, так и перпендикулярно к ней (пунктирные лучи), ничем свет в этих направлениях имеет разную скорость. Очевидно, что интерференция таких вторичных волн должна дать луч, который отклонится от вертикали. Если их больше 1>ц, то преломленный луч отклоняется именно так, как изображено на рисунке. Между прочим, этот луч не подчиняется обычному закону преломления.

Читатель уже догадывается, конечно, что все, о чем мы говорили, можно осуществить и в жидком кристалле — жидкости с оптической осью L. И чудесные свойства света здесь проявятся с особой силой. Пока мы только заметим, что, как и твердые кристаллы, жидкие кристаллы очень разнообразны. Тот тип жидких кристаллов, который рассматривался до сих пор, называется нематическим. Будем называть нематическую жидкость для краткости нематиком. Этот общепринятый сейчас термин происходит от греческого слова «нить».