Dwójłomność naturalna to zjawisko optyczne obserwowane od bardzo dawna w ośrodkach przeźroczystych, takich, jak gazy, ciecze czy kryształy. Przejawia się ono zdolnością tego ośrodka do podwójnego załamania światła - rozdwojenia promienia świetlnego. Substancje, dla których zjawisko zachodzi nazywamy substancjami dwójłomnymi. Dwójłomność naturalną odkrył w 1669 r. w krysztale szpatu islandzkiego (CaCO₃) duński uczony, Rasmus Bartholini. Dalszymi badaniami i teoretycznymi aspektami zjawiska zajmowali się, między innymi, Anglik Thomasa Young, Holender Christiaan Huygens i Francuz Augustin J. Fresnel. Ten ostatni stwierdził: „W krysztale dwójłomnym światło ma różne prędkości zależne od zorientowania płaszczyzny drgań (polaryzacji)”. Miarą dwójłomności Δn = n_e – n_o, jest różnica pomiędzy współczynnikiem załamania promienia nadzwyczajnego, n_e, a współczynnikiem załamania promienia zwyczajnego no. Oba promienie powstające w ośrodku dwójłomnym są spolaryzowane liniowo w płaszczyznach wzajemnie ortogonalnych a wielkość Δn zależy od własności mikroskopowych ośrodka.

Dwójłomność wymuszona to rozdwojenie promienia pojawiające się w ośrodku pod wpływem czynników zewnętrznych, takich, jak: stałe lub impulsowe pole elektryczne (elektrooptyczne efekt Kerra), pole elektryczne wiązki światła (optyczny efekt Kerra), pole magnetyczne (efekt Faradaya, lub Cottona-Moutona). Zjawisko wynika z faktu, że nieułożone regularnie anizotropowe cząsteczki posiadają ładunki na swoich końcach (są dipolami elektrycznymi) lub są obdarzone dipolami magnetycznymi. Wtedy pod wpływem zewnętrznych pól elektrycznego bądź magnetycznego układają się tak, aby ich momenty dipolowe były równoległe do przyłożonego pola. Zjawisko orientacji w polu elektrycznym w 1875 r. zaobserwował Szkot John Ker w płytce szklane a orientację cząsteczek izotropowej ciecz w polu magnetycznym zaobserwowali po raz pierwszy Francuzi, Aide Otton i Henri Muton w 1907 r. Nieuporządkowane cząsteczki mogą być także uszeregowane mechanicznie, pod wpływem ściskania lub rozciągania materiału (tak jak pozwijane nitki prostują się, kiedy są rozciągane).

Zjawisko dwójłomności znajduje zastosowanie w materiałach polaryzujących (np. pryzmatach Nicola, półfalówkach, ćwierćfalówkach) i w ekranów LCD. Odgrywa dużą rolę w optyce nieliniowej, wówczas, gdy jest indukowane światłem o dużym natężeniu. Ma szczególne znaczenie w dwójłomnych materiałach wykorzystywanych w czujnikach naprężeń, skrętu, ciśnienia i temperatur, używanych w telekomunikacji i w sensoryce światłowodowej. Dwójłomność minerałów ma zasadniczy wpływ (obok grubości preparatu) na ich barwy interferencyjne, obserwowane w tzw. cienkich płytkach. Określenie rodzaju barw interferencyjnych i dwójłomności umożliwia identyfikację minerałów i powszechnie wykorzystywane jest przez geologów i petrologów.

W Zakładzie Biofizyki Molekularnej Wydziału Fizyki UAM w Poznaniu bada się dwójłomność optyczną wymuszoną polem elektrycznym silnej wiązki lasera (optyczny efekt Kerra - OEK) w roztworach kwasów nukleinowych i wymuszoną silnym stałym polem magnetycznym (efekt Cottona-Moutona - ECM) w roztworach białek. Badania takie umożliwiają okreś-lenie własności geometrycznych, elektrycznych, optycznych i magnetycznych polimerów i biopolimerów (tRNA, ferrytyna). Pozwalają na określenie kształtu, konformacji, dynamiki oraz oddziaływań biomakrocząsteczek w roztworze, in vivo i in vitro.