Biréfringence

En fonction des caractéristiques optiques des cristaux, on peut distinguer différents types de réfraction de la lumière. Pour les gemmes optiquement isotropes (minéraux cristallisant dans le système cubique) ou celles qui sont amorphes (opale et verres), le rayon lumineux incident sera dévié suivant un indice unique, généralement désigné par N, et aura le même comportement dans toutes les directions du cristal. Pour les minéraux,anisotropes, le rayon subit, outre la réfraction, une décomposition en deux rayons polarisés de vitesses différentes.
Ce phénomène optique est appelé double réfraction ou biréfringence. Son expression numérique correspond à la différence entre les deux indices de réfraction, le plus grand et le plus petit. Selon une seule direction, celle de l'axe optique, il n'y aura pas de double réfraction. Un axe optique est présent dans tous les minéraux cristallisant dans les systèmes hexagonal, rhomboédrique ou quadratique, et il est confondu avec l'axe cristallographique principal, appelé axe c.
Ces minéraux sont dits uniaxes. Les minéraux appartenant aux systèmes orthorhombique, monoclinique ou triclinique possèdent deux axes optiques: ils sont donc biaxes. Dans la direction de l'axe optique, un minéral uniaxe se comporte comme un milieu isotope. Dans toutes les autres directions, il y aura double réfraction et formation de deux rayons vibrant dans des directions perpendiculaires: le rayon dit ordinaire No, et le rayon extraordinaire Ne. Ces deux rayons se propagent dans le cristal avec des vitesses différentes. Ce qui est important, c'est le rapport entre les vitesses de ces deux rayons.
En fonction de l'orientation des deux rayons No et Ne, on parlera de minéraux optiquement positifs ou négatifs. Les minéraux biaxes présentent deux directions préférentielles se comportant comme des axes optiques, c'està- dire avec un passage direct du rayon lumineux sans double réfraction. Pour un minéral donné, l'angle entre les deux axes optiques est constant et représente donc un bon critère d'identification. Les minéraux biaxes présentent trois indices principaux de réfraction: Np, Nm et Ng, et ils peuvent être également optiquement positifs ou négatifs.
Parmi les gemmes, la calcite présente la biréfringence la plus élevée: celle-ci est bien visible à l'oeil nu. De même, pour le zircon, la titanite et l'olivine, ce phénomène est facilement observable. Pour ces minéraux, le dédoublement des rayons s'observe même sur les arêtes des facettes inférieures.
Cela peut entraîner une baisse d'intensité de la lumière que reflète la gemme, et il faut donc en tenir compte lors de la taille. La biréfringence ne constitue généralement qu'un critère complémentaire d'identification, car les gemmes étant soit isotropes, soit faiblement biréfringentes, ce phénomène ne peut être mis en évidence qu'à l'aide d'instruments optiques.