Оптическая анизотропия среды характеризуется различной по разным направлениям способностью среды реагировать на действие падающего света. Реакции эта состоит в смещении электрических зарядов под действием поля световой волны. Для оптически анизотропных сред величина смещения в поле данной напряженности зависит от направления, т.е. диэлектрическая проницаемость ε, а следовательно, и показатель преломления среды n различны для разных направлений вектора E. Другими словами, показатель преломления, а следовательно, и скорость света зависят от направления распространения световой волны.

Если внутри изотропного вещества возникает световое возбуждение, то через некоторое время t волновой фронт будет представлять собой сферу радиуса  R=Vt, где V=c/n – скорость света в среде, с –  скорость света в вакууме,  n –показатель преломления.

В случае анизотропного кристалла спустя время t после светового возбуждения внутри кристалла будут распространяться два волновых фронта: один в виде сферы для обыкновенных лучей, другой, характеризующий необыкновенные лучи, - в виде эллипсоида  вращения.  Радиус сферы для обыкновенных лучей: Rο =Vοt =(c/n○) , где n○ - показатель преломления обыкновенного луча. Необыкновенная волна за время t отходит от точки L на различные расстояния Rе в зависимости от направления распространения луча.

где n_e - показатель преломления необыкновенного луча.

Значение ne лежит в пределах  Поэтому для характеристики кристалла удобно указывать два значения показателя преломления: n○ и . Но в природе существуют кристаллы, у которых ne>n○, например кварц.

Изображая скорость обыкновенного луча V0 в виде отрезков, отложенных по разным направлениям, мы получим сферическую поверхность. Волновая поверхность необыкновенных лучей представляет собой эллипсоид вращения.  В местах пересечения с оптической осью кристалла этот эллипсоид и сфера соприкасаются. На рис. 8, 9 показано пересечение этих поверхностей с плоскостью чертежа. В зависимости от того, какая из скоростей  V₀ или  V_e больше, различают положительные и отрицательные одноосные кристаллы. У отрицательных кристаллов V_e >V₀ (n_en₀). Легко запомнить, какие кристаллы называются положительными, какие - отрицательными. У положительных кристаллов (например, кварца) эллипсоид скоростей вытянут вдоль оптической оси, что ассоциируется с вертикальным штрихом в знаке«+» (рис. 8), а у отрицательных кристаллов эллипсоид скоростей растянут в направлении, перпендикуляр­ном к оптической оси, что ассоциируется со знаком «-» (рис. 9)  (например исландский шпат, апатит).

 

 

Рис.8

 

 

Рис.9

 

Прямая, проходящая через точки соприкосновения волновых поверхностей, представляет оптическую ось кристалла. Следовательно, оптическая ось определяет единственное направление, распространяясь вдоль которого естественный луч не испытывает двойного лучепреломления.  Максимальная величина разности (n_е-n₀), характеризует величину двойного лучепреломления.