晶体介质的折射率与光波的偏振方向有关，是各向异性的。科学家早就发现，一束入射光波在方解石（碳酸钙晶体）中分解成两束偏振方向互相垂直、折射角不同的光波。这种现象称为双折射。在各种晶体中普遍存在双折射现象。[2] 图1：方解石的双折射现象
产生双折射现象的原因是，一条光线射到冰洲石上，会在冰洲石内产生两条折射光线，如图1所示。自然界的晶体大多数都不同程度地产生双折射，只是不及冰洲石那样显著，因而不容易观察到。[1]
冰洲石的两条折射光线中，一条光遵守普通的折射定律，称作寻常光（或o光）；另一条光不遵守普通的折射定律，称作非常光（或e光）。在冰洲石内，寻常光的传播速度与传播方向无关，是一个常量；非常光的传播速度则是与传播方向有关的变量。冰洲石内有一个特殊的方向，非常光沿这个方向传播的速度等于寻常光的速度。这个方向称作冰洲石的光轴。冰洲石的六个表面都是相同的菱形时，两个钝隅的连线便是光轴。[1] 折射定律
双折射现象的明显例子是方解石。透过方解石的菱面体就可以看到明显重影。
产生双折射现象可作如下解释：自然光射到冰洲石上的每一点，都会在冰洲石内产生两种子波：一种是球面波；另一种是以光轴为旋转轴的旋转椭球面波。根据惠更斯原理，子波的包络面便是新的波面。因此，两种子波便有两种波面，即有两种折射光。平行光斜入射到冰洲石的表面上，光轴在入射面内，射到A点的光在冰洲石内产生两个子波面（球面和旋转椭球面）；射到B点的光晚到一些，产生的两个子波都小一些；这时射到C点的光刚到达冰洲石表面。作这些子波的包络面CE和CF，则AE和AF就分别是A点产生的寻常光和非常光。[1]
寻常光和非常光都是线偏振光。冰洲石内光线和光轴构成的平面称作主平面。寻常光的振动（电场强度）垂直于寻常光的主平面；非常光的振动（电场强度）则在非常光的主平面内。[1]
各向异性透明晶体如方解石、石英等的折射率，是其固有的特性，称为永久双折射。
有些物质（如玻璃、塑料、环氧树脂）通常是不发生双折射的，但当它们内部有应力时就会出现双折射现象 。还有些不发生双折射的物质（如硝基苯、钛酸钡），在电场的作用下会出现双折射，[1] 这种现象称为暂时双折射或人工双折射。