Вращение плоскости поляризации.

Вопрос 1. 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 деформаций 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 – n_e = k₁ s, (14.1)

где k₁ - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества.

Для наблюдения эффекта поместим стеклянную, пластинку Q между скрещенными поляризаторами Р₁ и Р₂. (рис.14.1). Пока стекло не

Рис.14.1 Рис.14.2

деформировано, такая система света не пропускает. При сжатии пластинки, свет через систему начнет проходить, причем интенсивность прошедшего света зависит от разности n₀ – n_e, 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.14.2 представлена схема установки для исследования эффекта Керра в жидкостях. Установка состоит из ячейки Керра− герметичного сосуда с жидкостью, в которую введены пластины конденсатора, помещенные 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 . При этом возникает разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей:

n₀ – n_e = k₂ E² , (14.2)

где k₂ – коэффициент, характеризующий вещество.

На пути l, равном длине пластин, между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает оптическая разность хода

D = (n₀ – n_e )l = k₂ lE²

или разность фаз

d = (D/l₀)2p = 2pk₂ lE²/l₀. (14.3)

Это выражение принято записывать в виде

d =2pВl Е², (14.4)

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 . 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 – n_e = k₃ В², (14.5)

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.