簡介
雙軸晶體的波面根據電磁理論可以算出，雙軸晶體的波面（射線面）具有如圖所示的複雜形式。它在三個坐標面上的剖面都由一個圓和一個橢圓組成。在這些圖中x、y、z軸是按ε、ε、ε增大的順序選取的，在zx平面的每個象限內兩層波面相交於一點R，波面在此處形成一個“酒窩”。當光線沿OR方向傳播時，各光束的射線速度相同。OR方向叫做晶體的射線軸。為了在射線面的圖中尋找光軸的方向，只需在zx剖面圖中作圓和橢圓的公切線，令它與圓的切點為N，ON方向稱為晶體的光軸，因為當波法線 k沿此方向時，各光束的相速相同。可以看出，在z軸兩側各有一條光軸和射線軸，故晶體具有兩條光軸和兩條射線軸。
特徵
光在晶體中傳播時，在不平行於光軸方向上，由於e光和o光傳播速度不同，而出現兩個不同折射率的光的像，這種現象叫做雙折射現象。雙折射現象有兩類，單軸晶體和雙軸晶體。
像石英，紅寶石，冰等晶體只有一個光軸方向，它們叫做單軸晶體；像雲母，藍寶石，橄欖石，硫磺等一類晶體有兩個光軸方向，它們叫做雙軸晶體。
光學性質
雙軸晶體的三個主介電係數都不相等，即ε≠ε≠ε，因而n≠n≠n。通常主介電係數按ε< ε<ε取值。這類晶體之所以叫雙軸晶體，是因為它有兩個光軸，當光沿該二光軸方向傳播時，其相應的二特許線偏振光波的傳播速度（或折射率）相等。由波法線菲涅耳方程式可以證明，雙軸晶體的兩個光軸都在xOx平面內，並且與x軸的夾角分別為β和-β。對於β小於45°的晶體，叫正雙軸晶體，β大於45°的晶體，叫負雙軸晶體。由這兩個光軸構成的平面叫光軸面。
由電磁場理論已知，介電常數ε是表征介質電學特性的參量。由固體物理學知道，不同晶體的結構具有不同的空間對稱性，自然界中存在的晶體按其空間對稱性的不同，分為七大晶系：立方晶系；四方晶系；六方晶系；三方晶系；正方晶系；單斜晶系；三斜晶系。由於它們的對稱性不同，所以在主軸坐標系中介電張量的獨立分量數目不同，各晶系的介電張量矩陣形式如表所示。由該表可見，三斜、單斜和正交晶系中，主介電係數ε≠ε≠ε，這幾類晶體在光學上稱為雙軸晶體；三方、四方、六方晶系中，主介電係數ε=ε≠ε，這幾類晶體在光學上稱為單軸品體；立方晶系在光學上是各向同性的，ε=ε=ε。
雙軸晶體的錐折射現象
1832年，英國科學家哈密頓預言，當波矢 K與雙軸晶體一個光軸重合時，傳播的光能將分布在空心錐面上，出射光即為錐面光束，則在橫截平面上觀察可見到一個光環。這種現象後來被人所證實，但是170多年來這種現象只是作為光波動說的一種典型例證，而在實踐上卻沒有獲得套用。20世紀末期，我國的一些科技工作者對錐折射現象進行了深入研究，不僅獲得了大張角的雷射錐面光束，而且實現了錐光控制，可以進行雷射圓錐掃描，為錐折射現象的套用奠定了技術基礎。
光波沿雙軸晶體的一個光軸傳播下面詳細研究為什麼會產生錐折射現象以及怎樣產生錐折射。如圖所示為雙軸晶體的折射率橢球，設單位光波矢 k與雙軸晶體一個光軸N重合，過折射率橢球中心O做波矢 k的垂面，則與折射率橢球的交線是一個圓；設此圓為∑，因差電位移矢量 D與波矢 k垂直，所以必然在∑平面上。當∑是橢圓截痕時，其長、短軸方向為允許的電位移D，所以一般有兩個電位移與同一波矢 k相對應；而現在的情況即∑是一葉圓，長、短軸無法確定，所以有無數個 D矢量與同一波矢 k相對應，無數個 D矢量對應無數個 E矢量，從而決定光線S是無數的，可以證明這無數條S光線分布在一個錐面上。
見下圖，平面A上的O點為光波入射點，在晶體內的光波矢 k與光軸N重合；平面π為 k的垂面，直線AB為平面Λ和平面π的交線，Q點為 k在平面π上的垂足，根據光波在非均勻介質中的普遍傳播規律 D⊥ k，所以有
kD+ kD+ kD= 0
雙軸晶體的錐折射光線傳播圖而雙軸晶體的光軸取主軸坐標系時在Oxz平面上，所以 k也在Oxz平面上，即是k為零。利用電位移與電場矢量的關係式D=εE，D=εE，於是得到
kεE+ kεE= 0
令矢量m=kεa+ kεc，式中，a、c為x、z方向的單位矢量，則有
mE+ mE = 0
上面的錐折射是在晶體內部，稱為內錐形折射。如果用平行晶體薄片做實驗，晶片表面與一個光軸垂直，從薄片的出射光經出射面再次產生折射，便形成圓筒光束。若晶片的入射面採用會聚光入射，在晶片出射面可產生圓錐面光束，稱為外錐折射。早期用天然雙軸晶體做錐形折射實驗，得到的錐角較小，目前用人工雙軸晶體，比如KNbO，可以得到20°以上的全錐角；通過晶體的電光效應或幾何光學方法可以實現錐角的控制，製成圓錐掃描器。雙軸晶體的錐折射套用雖然目前還未被人們所重視，但是隨著人造優質雙軸晶體的發展和雷射技術的講瘩，錐折射現象有可能在制導和隱身測距方面得到套用。
