La birifrangenza è la proprietà di alcuni materiali anisotropi per cui l’indice di rifrazione dipende dalla direzione di propagazione e dalla polarizzazione della luce. Un raggio incidente può quindi separarsi in due componenti con velocità di fase diverse, spesso chiamate raggio ordinario e raggio straordinario nei cristalli uniassici.
La grandezza fondamentale è la differenza tra gli indici visti da due polarizzazioni ortogonali:
Una lamina birifrangente di spessore e introduce una differenza di fase:
dove \lambda è la lunghezza d’onda nel vuoto. Questa differenza di fase, detta ritardo, modifica lo stato di polarizzazione della luce uscente.
Una lamina a quarto d’onda soddisfa:
e può trasformare luce lineare in circolare se le ampiezze delle due componenti sono uguali. Una lamina a mezz’onda:
ruota la direzione di polarizzazione lineare.
Più precisamente, una lamina a mezz’onda ruota il piano di polarizzazione di un angolo doppio rispetto all’angolo tra polarizzazione incidente e asse ottico della lamina. Una lamina a quarto d’onda produce polarizzazione circolare solo se le componenti lungo gli assi principali hanno uguale ampiezza e differenza di fase corretta; in caso generale produce polarizzazione ellittica.
La birifrangenza può essere naturale, come in calcite, quarzo e molti cristalli anisotropi, oppure indotta. Nei materiali trasparenti sottoposti a tensioni meccaniche può comparire birifrangenza da sforzo: è la base della fotoelasticità, usata per visualizzare concentrazioni di tensione in modelli e componenti.
In ottica tecnica la birifrangenza è utile per costruire ritardatori, compensatori, modulatori, filtri polarizzanti e dispositivi per il controllo dello stato di polarizzazione. Può però essere anche un difetto: fibre, finestre ottiche, plastiche stampate o lenti con tensioni residue possono alterare la polarizzazione e degradare misure interferometriche o sistemi laser.
Un errore comune è trattare la birifrangenza come semplice doppia rifrazione geometrica. Il fenomeno è elettromagnetico: deriva dalla risposta anisotropa del materiale al campo elettrico della luce. Per questo dipende da lunghezza d’onda, temperatura, orientazione cristallografica e qualità del materiale.
Vedi anche: legge di Malus, ottica, lamine sottili.