Simulation optischer Systeme

Bei doppelbrechenden Materialien hängt die Phasengeschwindigkeit einer Lichtwelle von der Polarisierung und der Ausbreitungsrichtung ab. Mathematisch bedeutet dies, dass die Permittivität solcher Materialien ein Tensor ist. Materialien, bei denen zwei der Komponenten identisch sind, werden als uniaxial bezeichnet. Wenn sich alle drei Komponenten voneinander unterscheiden, wird das Material als biaxial bezeichnet.

Beispiele für doppelbrechende Materialien in der Natur sind Kristalle mit asymmetrischen Kristallstrukturen, wie z. B. Quarz. Hyperbolische Materialien sind ein Sonderfall, bei dem eine der Tensor-Komponenten ein negatives Vorzeichen hat. Das Material zeigt daher dielektrische Eigenschaften für eine Polarisation und metallische für die andere Polarisation. Eine weitere Möglichkeit zur Erstellung einer Doppelbrechung besteht darin, isotropische Materialien so zu belasten, dass sie sich verformen und ihre Isotropie verloren geht.

Eine besondere Form der optischen Anisotropie ist der magnetooptische Effekt. Wenn ein magnetisches, optisch aktives Material magnetisiert wird, unterscheidet sich der Brechungsindex des linken und rechten polarisierten Lichts orthogonal zur magnetischen Achse. Magnetooptische Effekte werden häufig für die optische Isolierung verwendet, da das wechselseitige Magnetfeld die zeitumkehrende Symmetrie unterbricht und den Effekt nichtreziprok macht. Nehmen wir an, dass wir Licht mit einem Polarisationswinkel von etwa 45° in einen Wellenleiter starten. Das Licht verlässt unseren Beispiel-Wellenleiter 90° polarisiert. Wenn dieses Licht nun wieder in den Wellenleiter reflektiert wird, wird es nicht auf den ursprünglichen Eintrittsstatus der 45-Grad-Polarisation zurückgesetzt, sondern weiter auf 135° gedreht.

Eine nicht lineare Beziehung zwischen dem Verschiebungsfeld und dem elektrischen Feld bedeutet, dass der Brechungsindex vom elektrischen Feld abhängt. Die Abhängigkeit des Brechungsindex von der optischen Intensität kann zum Beispiel zur Bildung eines bistabilen Elements verwendet werden.