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定義
晶體光學是研究光在單晶體中傳播及其伴生現象的分支學科。立方晶體中光的傳播是各向同性的，與均勻非晶體沒有差別。在其他六個晶系的晶體中，光的傳播的共同特點是各向異性。因此晶體光學研究的對象實質上是各向異性光學媒質，包括液晶在內。
各向異性光學媒質中光的傳播情況，可由麥克斯韋方程組和表征物質各向異性的物質方程聯立求解得到。通常討論平面波情況，所得到的解析式一般較為復雜。當不考慮晶體的吸收和旋光性時，實用上多采用幾何作圖法求解,以折射率橢球、光波面兩種曲面較常使用。晶體光學研究常用的實驗儀器是折射計、光學測角儀、偏光顯微鏡和分光光度計等。
晶體光學在晶體定向、礦物鑒定、晶體結構以及其他晶體光學現象（如非線性效應、光散射）的工作與研究中有重要應用。晶體光學元件，如各種起偏棱鏡、補償器等（見線偏振光、偏振光的干涉），則廣泛應用于各種光學儀器和實驗中。
光波相和光線
單色平面光波波陣面沿其法線方向傳播的速度稱為光波的相速度。光波的能量傳播速度稱為光線速度。人們眼睛觀察到的光線傳播方向就是光線速度方向。
對于非磁性單晶，平面光波的相速度在垂直于電位移D和磁場強度H的方向上,而光波的能量傳播方向垂直于H和電場強度E。各向異性光學媒質的介電常數是一個二階張量，D和E一般不平行，所以相速度v和光線速度vr的方向一般也不一致，其間的夾角α稱為離散角,它是相速度（或光線速度）的方向和D(或E)的方向的函數（如下圖）。相速度和光線速度的數值一般也不相等，兩者間的關系為 v=vrcosα。
光在真空中的傳播速度 с與它在各向異性光學媒質中某方向的相速度v之比稱為該方向的折射率,類似地，с與某方向的光線速度之比nr=с/vr，稱為該方向的光線折射率。
單軸晶體
只有一個光軸的晶體叫單軸晶體。屬于三方晶系、四方晶系和六方晶系的晶體是單軸晶體。它們的光軸分別為三重、四重和六重對稱軸，單軸晶體也只有一個光線軸，且與光軸重合，因此光波沿單軸晶體光軸方向傳播時，相速度和光線速度相同，偏振化完全解除。
有些單軸晶體對于D平行和垂直于光軸的兩種線偏振光的吸收不同，因此透射光分別呈現不同的特征顏色。這種性質稱作晶體的二向色性或二色性。二向色性強烈的光學媒質可以做起偏器。
單軸晶體的介電張量在以光軸為z 軸的直角坐標系中取對角形式,并且x、y兩分量相等,所以x、y 軸可任意選取。因此單軸晶體的光學性質具有旋轉對稱性。這是符合下述一般原則的：晶體性質的對稱性不低于晶體所屬晶系的對稱性。
雙軸晶體
具有兩個光軸的晶體叫雙軸晶體。屬于正交晶系、單斜晶系和三斜晶系的晶體都是雙軸晶體。光軸位于大相速度方向和小相速度方向所決定的平面內。雙軸晶體也有兩個光線軸，不與光軸重合，但與兩光軸在同一平面內。光線軸與光軸間夾角很小，不超過2゜。兩光軸間的銳夾角稱為光軸角。
選擇兩光軸的銳夾角平分線和鈍夾角平分線作為直角坐標系的兩個坐標軸，則介電張量取對角形式，此坐標系的三個坐標軸稱為晶體的三個主軸。相應的介電常數ε1、ε2、ε3稱為晶體的主介電常數。
有些晶體，對于D分別平行于三個主軸的三種線偏振光的吸收各不相同，因此透射光呈現不同的特征顏色，這種性質稱作晶體的三向色性或三色性。例如角閃石就有三向色性。二向色性和三向色性統稱多色性。
將特定取向的單軸或雙軸晶片置于兩正交偏光棱鏡之間，用一短焦距透鏡將來自起偏棱鏡的單色平行光束聚焦在晶片面上，能得到一些特征干涉圖，可作為單軸或雙軸晶體的判據。
雙折射
雙折射是指一條入射光線產生兩條折射光線的現象 。將一塊冰洲石（透明的方解石）放在書上看，它下面的線條都變成雙影 。
雙折射是光束入射到各向異性的晶體，分解為兩束光而沿不同方向折射的現象。光在非均質體中傳播時 ，其傳播速度和折射率值隨振動方向不同而改變，其折射率值不止一個；光波入射非均質體，除特殊方向以外 ，都要發生雙折射，分解成振動方向互相垂直、傳播速度不同、折射率不等的兩種偏振光，此現象即為雙折射 。
在非旋光性光學媒質中，給定一波矢方向k,一般只允許D振動平行于兩個特定方向D┡和D″的單色平面波傳播,它們有著不同的相速度和β值。D┡和D″為互相正交的單位矢量，并且都是k的函數,這就是晶體對光波傳播的起偏作用。但是存在某些特殊方向，單色平面波沿這些方向傳播時,其D振動可在波陣面上取任意方向而相速度相同，這些方向稱為各向異性光學媒質的光軸。
完全相似，當給定光線方向t時,一般只允許E振動平行于兩特定方向E┡和E″的單色光線傳播，它們有著不同的光線速度；相應的相速度也不相同。E┡和E″也互相正交，并且都是t的函數。但是存在某些特殊方向,單色光線沿這些方向傳播時,其E振動可在垂直于t的平面上取任意方向而光線速度相同，這些方向稱為各向異性光學媒質的光線軸。
折射率橢球
折射率橢球是晶體光學幾何表示法中常采用的三維曲面，也叫做波 法線橢球或 光率體，其 方程為 橢球的三個半軸長度 1、 2、 3稱為晶體的三個主折射率：
介電
要知道沿k方向傳播的單色平面波的偏振方向和速度可過橢球原點作一垂直于k的平面,在橢球上截出一橢圓,此橢圓的兩主軸方向就是k方向允許傳播的兩平面偏振波的電位移方向，兩主軸的半軸長度即是相應平面偏振波的折射率n┡和n″。
立方晶體，n1=n2=n3=n，橢球退化為圓球,光的傳播是各向同性的。
單軸晶體，n1=n2=n0,n3=ne橢球退化為旋轉橢球，光軸為旋轉軸。過原點的平面截旋轉橢球得到的橢圓的主軸總有一個垂直于光軸，其半軸長度為n0。它所對應的光波,D垂直于光軸,且相速度不依賴于傳播方向，稱為尋常光。n0稱為尋常光折射率；橢圓的另一個主軸的半軸長度n依賴于光波波矢與光軸的夾角θ，稱為非常光折射率，相應的光波稱為非常光。n0<ne的稱為正單軸晶體,n0>ne的稱為負單軸晶體。
雙軸晶體的三個主介電系數都不相等，即ε1≠ε2≠ε3，因而n1≠n2≠n3。通常主介電系數按ε1＜ ε2＜ε3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x1Ox3平面內，并且與x3軸的夾角分別為β和-β。對于β小于45的晶體，叫正雙軸晶體，β大于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。由于它們的對稱性不同，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，主介電系數ε1≠ε2≠ε3，這幾類晶體在光學上稱為雙軸晶體；三方、四方、六方晶系中，主介電系數ε1=ε2≠ε3，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，ε1=ε2=ε3。
光線面
又稱光波面，對于各向異性光學媒質，它是一個四次雙葉曲面。當光線沿某一方向傳播時，由光線面上平行于該方向的兩個矢徑的長度乘以真空光速，即得到該方向的兩個光線速度。當給定光線速度時，通過光線面上相應矢徑的端點作光線面的法線，它就是與該光線對應的波矢方向。
光線面對確定晶體的折射光線方向起著重要的作用。各向異性光學媒質中的惠更斯次波即是與光線面相似的曲面。惠更斯次波的包絡面就是光波的波陣面。晶體光學幾何作圖法中引入的其他三維曲面較少應用，不再介紹。
對于具有旋光性的晶體，除非在非常接近光軸方向，晶體的旋光性總是疊加于通常的雙折射上，如同一個微擾，所有有關非旋光性晶體的晶體光學結論只需加上旋光性修正就可用于旋光晶體。在旋光性單軸或雙軸晶體中,任意給定一個不沿著光軸的波矢方向,則有且只有兩個確定的橢圓偏振光波通過晶體時偏振態不發生改變,兩橢圓的長短軸之比相同,但D旋轉的方向相反，且兩橢圓的長軸分別在由折射率橢球所確定的兩個D的振動方向。由于橢圓長短軸相差懸殊，實際上非常接近平面偏振光。
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