ИСКУССТВЕННОЕ ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ. ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ
Вопросы:
1. Искусственное двойное лучепреломление
. Вращение плоскости поляризации
Искусственное двойное лучепреломление
В прозрачных аморфных телах - естественных анизотропных средах, а также в кристаллах кубической системы может возникать двойное лучепреломление под влиянием внешних воздействий: механических деформациях тел, электрического поля (эффект Керра), магнитного поля (явление Коттон-Мутона). Под действием указанных воздействий анизотропное вещество приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением деформации, напряженности электрического или магнитного полей соответственно. Возникающая при этом оптическая анизотропия характеризуется разностью показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении перпендикулярном оптической оси. Опыт показывает, что эта разность пропорциональна механическому напряжению s в данной точке тела:
n0 - ne = k1 s, (1)
где k1 - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества.
Для наблюдения эффекта поместим стеклянную, пластинку Q между скрещенными поляризаторами Р1 и Р2. (рис.1). Пока стекло не
P1 Q P2
F
Рис.1.
деформировано, такая система света не пропускает. При сжатии пластинки, свет через систему начнет проходить, причем интенсивность прошедшего света зависит от разности n0 - ne, а значит, и от s. Наблюдаемая в прошедших лучах интерференционная картина, возникающая при наложении обыкновенного и необыкновенного лучей, оказывается испещренной цветными полосами. Каждая такая полоса соответствует одинаково деформированным местам пластинки, одинаковым s. Следовательно, по расположению полос можно судить о распределении напряжений внутри пластинки. На этом основан метод исследования напряжений: изготовленная из прозрачного изотропного материала модель какой-либо детали или конструкции помещается между скрещенными поляризаторами и подвергается действию нагрузок, подобных тем, какие будут испытывать реальная деталь или конструкция. Анализ интерференционной картины позволяет определить распределение напряжений и судить об их величине.
Возникающее под воздействием электрического поля двойное лучепреломление в жидкостях и в аморфных твердых телах было обнаружено английским физиком Д. Керром в 1875г. и получило название эффекта Керра. В 1930г. эффект Керра был обнаружен и в газах.
На рис.2 представлена схема установки для исследования эффекта Керра в жидкостях. Установка состоит из ячейки Керра - герметичного сосуда с жидкостью, в которую введены пластины конденсатора, помещенной между скрещенными поляризаторами Р и Р'. При подаче на пластины напряжения между ними возникает практически однородное электрическое поле, а жидкость приобретает свойства одноосного кристалла с оптической осью, ориентированной параллельно вектору напряженности Е.
Возникающая разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей
n0 - ne = k2 E2, (2)
где k2 - коэффициент, характеризующий вещество.
На пути l, равном длине пластин, между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает оптическая разность хода
D = (n0 - ne) l = k2 l E2
или разность фаз
d = (D/l0)2p = 2pk2 l E2/l0. (3)
Это выражение принято записывать в виде
d = 2pВ l Е2, (4)
где В = к2 /λ0 -характерная для вещества величина, называется постоянной Керра.
Из известных жидкостей наибольшей постоянной Керра обладает нитробензол. Постоянная Керра В зависит от температуры вещества Т и длины волны оптического излучения l.
Эффект Керра объясняется различной поляризуемостью молекул по разным направлениям. В отсутствии электрического поля молекулы ориентированы хаотическим образом, поэтому жидкость не обнаруживает анизотропии. Под действием поля молекулы, обладающие дипольным моментом (полярные молекулы), приобретают преимущественную ориентацию по полю, а неполярные молекулы - в направлении наибольшей поляризуемости. В результате жидкость становится оптически анизотропной. Ориентирующему действию поля препятствует тепловое движение молекул, поэтому постоянная Керра уменьшается с повышением температуры Т.
Время, в течение которого устанавливается при включении электрического поля и исчезает при выключении его оптическая анизотропия, составляет около 10-10 с. Поэтому ячейка Керра, помещенная между скрещенными поляризаторами, может служить практически безынерционным световым затвором и применяется в лазерной технике для управления режимом работы лазеров, для исследования быстро протекающих оптических процессов. Модуляция света с помощью ячейки Керра достигает частоты до 109 Гц.
Аналогом эффекта Керра является эффект Коттона-Мутона - оптическая анизотропия, возникающая под действием магнитного поля. Если молекулы вещества анизотропны и обладают магнитными моментами, то они могут преимущественно ориентироваться в постоянном магнитном поле, что приводит к возникновению анизотропии и связанному с ней двойному лучепреломлению. Вещество в этом случае подобно одноосному кристаллу с оптической осью, параллельной вектору индукции магнитного поля В. Схема установки по наблюдению двойного лучепреломления в эффекте Коттона-Мутона подобна, как и для эффекта Керра. Разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей описывается соотношением
n0 - ne = k3 В2, (5)
где k3 - коэффициент, характеризующий вещество.
Возникновение оптической анизотропии возможно и при воздействии на вещество мощного лазерного поляризованного излучения. Электрическое поле световой волны поляризует атомы или молекулы вещества, вызывая тем самым его оптическую анизотропию.