 |
Искусственная оптическая анизотропия. Поляризационные призмы и поляроиды.
|
|
|
|
| Искусственная анизотропия | |
| Двойное лучепреломление можно наблюдать и в изотропных средах (аморфных телах), если подвергнуть их механическим нагрузкам. Изотропное тело, подвергнутое упругим деформациям, может стать анизотропным и изменить состояние поляризации проходящего света. Это явление, открытое в 1818 г. Брюстером, получило название фотоупругости или пьезооптического эффекта. При одностороннем растяжении или сжатии тело становится подобным одноосному кристаллу с оптической осью, параллельной направлению приложенной силы. Мерой возникающей при этом оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Опыт показывает, что эта разность пропорциональна напряжению в данной точке тела. От этого напряжения будет зависеть разность показателей преломления:, где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества. Поместим стеклянную пластинку Q между двумя поляризаторами Р и А (рис. 11.14). Рис. 11.14 В отсутствие механической деформации свет через них проходить не будет. Если же стекло подвергнуть деформации, то свет может пройти, причем картина на экране получится цветная. По распределению цветных полос можно судить о распределении напряжений в стеклянной пластинке (рис. 11.15). Рис. 11.15 Это явление широко используется для определения прочности деталей. Помещая прозрачные фотоупругие модели между поляризатором и анализатором и подвергая их различным нагрузкам, можно изучать распределения возникающих внутренних напряжений. Явление искусственной анизотропии может возникать в изотропных средах под воздействием электрического поля (эффект Керра). На рис. 11.16 изображена так называемая ячейка Керра. Рис. 11.16 Если поляризаторы скрещены, то в отсутствие поля свет через ячейку Керра не проходит. В электрическом поле между пластинками конденсатора жидкость (используется обычно нитробензол) становится анизотропной. Свет, прошедший через кювету, поворачивает плоскость поляризации, и система становится прозрачной. Ячейка Керра может служить затвором света, который управляется потенциалом одного из электродов конденсатора, помещенного в ячейку. На основе ячеек Керра построены практически безынерционные затворы и модуляторы света с временем срабатывания до 10-12 с. Величина двойного лучепреломления прямо пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля: (закон Керра). Здесь n - показатель преломления вещества в отсутствие поля,, где и - показатели преломления для необыкновенной и обыкновенной волн, k - постоянная Керра. |
Двойное лучепреломление имеет место в естественных анизотропных средах. Существуют, однако, различные способы получения искусственной оптической анизотропии, т. е. сообщения оптической анизотропии естественно изотропным веществам.
|
|
|
Оптически изотропные вещества становятся оптически анизотропными под действием: 1) одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической системы, стекла и др.); 2) электрического поля (эффект Керра*; жидкости, аморфные тела, газы); 3) магнитного поля (жидкости, стекла, коллоиды). В перечисленных случаях вещество приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением деформации, электрического или магнитного полей соответственно указанным выше воздействиям.
* Д. Керр (1824—1904) — шотландский физик.
Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси:
|
|
|
(195.1)
где k 1, k 2, k 3 — постоянные, характеризующие вещество, s — нормальное напряжение (см. § 21), Е и Н — соответственно напряженность электрического и магнитного полей.
На рис. 284 приведена установка для наблюдения эффекта Керра в жидкостях (установки для изучения рассмотренных явлений однотипны). Ячейка Керра — кювета с жидкостью (например, нитробензолом), в которую введены пластины конденсатора, помещается между скрещенными поляризатором Р и анализатором А. При отсутствии электрического поля свет через систему не проходит. При наложении электрического поля жидкость становится двояко преломляющей; при изменении разности потенциалов между электродами меняется степень анизотропии вещества, а следовательно, и интенсивность света, прошедшего через анализатор. На пути l между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает оптическая разность хода
(с учетом формулы (195.1)) или соответственно разность фаз
где B=k 2 /l — постоянная Керра.
Эффект Керра — оптическая анизотропия веществ под действием электрического поля — объясняется различной поляризуемостью молекул жидкости по разным направлениям. Это явление практически безынерционно, т. е. время перехода вещества из изотропного состояния в анизотропное при включении поля (и обратно) составляет приблизительно 10–10 с. Поэтому ячейка Керра служит идеальным световым затвором и применяется в быстропротекающих процессах (звукозапись, воспроизводство звука, скоростная фото- и киносъемка, изучение скорости распространения света и т. д.), в оптической локации, в оптической телефонии и т. д.
Искусственная анизотропия под действием механических воздействий позволяет исследовать напряжения, возникающие в прозрачных телах. В данном случае о степени деформации отдельных участков изделия (например, остаточных деформаций в стекле при закалке) судят по распределению в нем окраски. Так как применяемые обычно в технике материалы (металлы) непрозрачны, то исследование напряжений производят на прозрачных моделях, а потом делают соответствующий пересчет на проектируемую конструкцию.
§4 Поляризационные призмы и поляроиды
Поляризационными приборами называются приборы, с помощью которых из естественного света можно, получить плоско поляризованный свет. В основе работі поляризационных приборов лежит явление двойного лучепреломления.
Поляризационные прибора делятся на призмы и поляроиды. Призмы делятся на поляризационные призмы (дающие один плоско поляризованный луч) и двоякопреломляющие призмы (два поляризованных луча во взаимно перпендикулярных плоскостях).
 Поляризационные призмы используют принцип полного внутреннего отражения обычного луча. Полное внутренне отражение наблюдается при падении света на границу раздела оптически более плотной среды с оптически менее плотной средой. При углах падения больших критического iкр свет полностью отражается, не преломляясь. Интенсивность отраженного света в этом случае равна интенсивности падающего света.
Призма Николя (шотл. ученый 1768—1851) представляет собой двойную призму из исландского шпата, склеенную вдоль линии АВ канадским бальзамом, с n =1,55. Оптическая ось 00' призмы составляет с входной гранью угол 48°. На передней гране призмы естественный луч, параллельный ребру СВ раздваивается на два луча: обыкновенный (no = 1,86) и необыкновенный (ne= 1,51). При соответствующем подборе угла падения, равного или большего предельного (критического) обыкновенный луч испытывает полное внутреннее отражение (так как для него канадский бальзам - менее плотная среда), а затем поглощается зачерненной поверхностью СВ. Необыкновенный луч выходит из кристалла параллельно падающему лучу, незначительно смещаясь относительно падающего (из-за преломления на гранях АС и ВД).
Двоякопреломляющие призмы используют различие в показателях преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, чтобы развести их возможно дальше друг от друга. Их изготавливают их исландского шпата и стекла, из двух призм исландского шпата с перпендикулярными оптическими осями.
Двоякопреломляющие кристаллы обладают дихроизмом (ди - два, хром - цвет) - показатель поглощения света зависит от ориентации вектора  , от направления распространения света в кристалле и длины волны. Явление дихроизма проявляется в различной окраске кристаллов по разным направлениям. Примером дихроичного кристалла является турмалин - одноосный кристалл, в котором обыкновенный луч поглощается во много раз сильнее необыкновенного.
Еще более ярко выраженным дихроизмам обладают кристаллы герапатита (сернокислого йод-хинина). Пленка герапатита толщиной ~ 0,1 мм полностью поглощает обыкновенные лучи видимой области спектра. Дихроичные кристаллы используются для изготовления поляроидов - тонкие кристаллические плёнки, позволяющие получать плоско поляризованный свет.
§5 Анализ поляризованного света
Плоско поляризованный свет внутри кристаллической пластинки разделяется на обыкновенный и необыкновенный. При выходе из пластинки эти лучи будут складываться и давать эллиптически поляризованный свет:
 Между обыкновенным и необыкновенным лучами в пластинке возникнет
разность хода
или разность фаз
Пластинка с
называется пластинкой в четверть волны (пластинкой  ) (“+” для положительных кристаллов, “-” для отрицательных). Если  , то уравнение на выходе
Если свет падает на пластинку под углом α = 45°, то Е 0 = Е е и на выходе будет циркулярно поляризованный свет. Пластинка, у которой
называется полуволновой пластинкой.
§6 Искусственная оптическая анизотропия
Ряд кристаллов, являющихся изотропными, в результате внешнего воздействия становятся оптически анизотропными. Искусственную анизотропию можно вызвать:
1. механическим воздействием (сжатием или растяжением) кристаллов кубической симметрии, стекол к других аморфных тел. Во всех случаях внешнего воздействий вещество приобретает свойства одноосного кристалла (то есть становится двулучепреломляющим), оптическая ось которого совпадает с направлением деформаций, электрического и магнитного поля.
где σ - упругая деформация.
k1- постоянная, характеризующая вещество.
При F=0 свет на экран не проходит. При F≠0 на экране наблюдается интерференционная картина.
1. электрическим полем (эффект Керра - возникновение искусственной оптической анизотропии под действием электрического поля в жидкостях, газах, аморфных телах);
где Е - напряженность электрического поля,
k2- постоянная, характеризующая вещество.
3. магнитным полем (эффект Коттона-Мутона) возникновение искусственной оптической анизотропии под действием магнитного поля в жидкостях, стеклах, коллоидах„ Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси.
где Н - напряженность магнитного поля,
k3- постоянная, характеризующая вещество.
| |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
