Двойно́е лучепреломле́ние, раздвоение световых лучей при прохождении через анизотропную среду, обусловленное зависимостью показателя преломления этой среды от поляризации света и направления распространения. Обнаружено в 1669 г. Р. Бартолином на кристаллах кальцита. При падении световой волны на анизотропную среду в ней возникают два преломлённых луча с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации, идущие в разных направлениях с разными скоростями. Отношение амплитуд этих волн зависит от поляризации падающей волны. В одноосных кристаллах один из лучей подчиняется обычным законам преломления и поэтому называется обыкновенным лучом, его скорость распространения и показатель преломления $n_o$ не зависят от направления. Скорость и показатель преломления $n_e$ другого луча, называемого необыкновенным, зависят от направления распространения; для него обычные законы преломления изменяются; в частности, он может не лежать в плоскости падения. При распространении вдоль оптической оси $n_o=n_e$ и двойное лучепреломление отсутствует; в других направлениях $n_o\neq n_e$. Одноосные кристаллы называются положительными, если $n_o \lt n_e$, и отрицательными, если $n_o>n_e$. В двуосных кристаллах имеются два направления, называемые оптическими осями, в которых показатели преломления и скорости распространения обыкновенного и необыкновенного лучей совпадают; в других направлениях они различны для обоих лучей.

Двойное лучепреломление можно наблюдать не только в средах с естественной анизотропией, но и в средах с наведённой оптической анизотропией, например при наложении внешнего электрического поля (оптический эффект Керра и электрооптический эффект Керра), магнитного поля (эффект Коттона – Мутона), при механических напряжениях.

Двойное лучепреломление в кристаллах широко используется при исследовании механических напряжений, возникающих при различных деформациях в деталях машин, мостах и др. Интерференционные цветные картины, получаемые при этом, дают возможность быстрого изучения напряжений и освобождают от сложных расчётов.

См. Кристаллооптика, Оптическая анизотропия, Фотоупругость.