一般的光學材料都是均勻的各向同性的，也就是說無論光從哪個方向穿過材料，其折射率都保持一致。對于單軸材料來說，例如方解石 (Calcite)，其晶軸定義了材料的對稱軸。這類材料對光線的偏折能力隨入射光的偏振態及入射光與晶軸的夾角不同而不同。因此對于任意一束光，兩個正交的偏振態下可能存在不同的折射角。這種現象稱為光的雙折射。
光線在雙折射材料中的折射總是遵循斯涅耳定律 (Snell`s Law) 的，但是材料中的有效折射率與入射光的偏振態和入射方向與晶軸夾角相關。其中“尋常光 (Ordinary)”的折射角由下式定義：
其中no為尋常光的折射率，這是斯涅耳定律的一般形式?！胺菍こ９?(Extraordinary)”的折射角由下式定義：
該式同樣遵循斯涅耳定律，但是此時的折射率是角度θw的函數，該角度表示晶軸向量a和折射光波矢k的夾角。
光線向量S指向能量傳播方向。在普通材料中，光線向量S與波矢k為同一向量，此時我們使用k表示。但在雙折射材料中，光線向量S與波矢k的方向存在較小的夾角，因此需要單獨考慮。其中向量S和k與晶軸向量a共面且滿足：
非尋常光的有效折射率由下式定義：
其中ne為非尋常折射率。
