Искусственная анизотропия. Способы ее получения.

Вернемся к качественной характеристике природы явлений, приводящих к возникновению двойного лучепреломления и других особенностей распространения света в кристаллах. Очевидно, что анизотропия среды служит тем основным физическим свойством, которое и обусловило рассмотренные экспериментальные факты. Но, по-видимому, следует говорить об анизотропии как о каком-то интегральном эффекте, связанном с упорядоченным расположением молекул, а не об асимметрии самих молекул, которая должна усредниться при их хаотическом расположении и в общем случае не может привести к возникновению преимущественных направлений в изучаемом веществе. Как уже указывалось, внешним воздействием изотропное тело можно сделать анизотропным. Следовательно, можно искусственно создать двояко преломляющую среду. Ниже излагаются наиболее характерные способы получения искусственного двойного лучепреломления.

1.Анизотропия при деформациях.Если подвергнуть какое-либо прозрачное тело сжатию (или растяжению), то в результате такого воздействия образуется своеобразный «квазикристалл», оптическая ось которого проходит в направлении сжатия (растяжения). Симметрия всех свойств вещества в плоскости, перпендикулярной направлению сжатия, совершенно очевидна, поэтому в данном случае имеет смысл говорить о возникновении одноосного квазикристалла. Это явление легко наблюдать на опыте, схема которого приведена на рис. 13.1.

Рис.13.1 К анизотропии, возникшей при деформации

прозрачного изотропного тела

Через тело, подвергшееся сжатию, пропускают свет в направлении, перпендикулярном образовавшейся оптической оси; следовательно, в нем должна возникнуть эллиптическая поляризация.

Для измерения в схему введена пластинка в четверть длины волны, а колебания вектора Е, пропущенные поляризатором Р₁ и анализатором Р₂ должны составлять угол с осью квазикристалла. Оказывается, что, , где F — сила натяжения, возникающего в веществе. Следовательно, измеряя , можно оценить нагрузку, действующую на исследуемое тело. Это позволяет создать оптический метод исследования напряжений в различных системах. Конечно, он пригоден лишь для прозрачных тел, но позволяет моделировать механическую систему и оценивать напряжение в различных ее частях. Оптический метод также широко используется для исследования напряжений в оптическом стекле, возникающих при его изготовлении. Все детали "ответственных оптических узлов, как правило, просвечивают поляризованным светом для обнаружения в них возможных остаточных напряжений. На рис. 13.2 проиллюстрированы поляризационные опыты со стеклами, в которых натяжения образовались при термической обработке.

Рис.13.2 Картины, создаваемые механическими напряжениями

В стекле при освещении его поляризованным светом

Закаленный стеклянный кубик между параллельно

Установленными поляроидами(а) и между перпендикулярно

установленными поляроидами(б)

Разность оказывается зависящей от длины волны, и при

освещении таких стекол немонохроматическим излучением картина в поляризованном свете получается разноцветной.

2. Анизотропия в электрическом поле.Возникновение анизотропии в электрическом поле было обнаружено Керром в 1875 г. и с тех пор широко используется в технике эксперимента. В настоящее время явление Керра хорошо исследовано как экспериментально, так и теоретически. Это оказалось возможным благодаря тому, что эффект наблюдается в веществах, находящихся в жидком и даже газообразном состоянии, а их изучение несравненно проще изучения твердого тела.

Схема опыта относительно проста (рис. 13.3)

Рис.13.3 Схема опыта с ячейкой Керра

Между двумя скрещенными поляризаторами Р₁ и Р₂ располагают плоский конденсатор. Между пластинами конденсатора помещают кювету с жидким нитробензолом — веществом, в котором изучаемый эффект весьма велик. При включении напряжения происходит поляризация молекул нитробензола и их выстраивание. Тем самым создается анизотропия вещества с преимущественным направлением (оптической осью квазикристалла) вдоль электрического поля. Так же как и при механической деформации, излучение становится эллиптически поляризованным и частично проходит через второй поляризатор, скрещенный с первым, т. е. установленный так, чтобы не пропускать линейно поляризованный свет. Опыт дает , где К — некая константа, как правило, положительная. Однако для некоторых веществ К оказывается меньше 0 (это значит, что т. е. образуется «отрицательный» квазикристалл).

Такой эффект был объяснен Борном, дополнившим исходную теорию явления, развитую Ланжевеном. В теории Ланжевена предполагалось возникновение и выстраивание наведенных электрическим полем (индуцированных) дипольных моментов, тогда как в дополнении Борна учитывалась также ориентация постоянных дипольных моментов, которыми обладают некоторые жидкости. Знак постоянной Керра обусловлен относительной ролью этих двух физических процессов.

Абсолютное значение константы К характеризует пригодность данного вещества к использованию его в ячейке Керра. Обычно постоянной Керра называют эту величину, выраженную в длинах волн, т. е. Она заметно уменьшается с повышением температуры жидкости, так как тепловое движение молекул препятствует их ориентации. Для нитробензола она достаточно велика — эффект легко наблюдается при подаче на конденсатор импульса напряжения с амплитудой в несколько сотен вольт. Наблюдение эффекта Керра в других жидкостях (а особенно в газах) требует использования значительно большей напряженности электрического поля.

Наиболее важной особенностью эффекта Керра, обусловившей широкое его применение, является весьма малая инерционность, так как преимущественная ориентация молекул в электрическом поле устанавливается в течение 10^-9-10^-10с. помещенная между скрещенными поляризаторами, может служить В отсутствие напряжения на пластинах конденсатора затвор будет закрыт. При включении напряжения затвор пропускает значительную часть света, падающего на первый поляризатор. Ячейку Керра применяют для изучения длительности молекулярных процессов.

3. Явление Коттон-Мутона. Аналогично возникновению двойного лучепреломления в электрическом поле возможно также возникновение искусственной анизотропии под действием магнитного поля. Если асимметричные молекулы обладают постоянным магнитным моментом (парамагнитное тело), то в отсутствии внешнего магнитного поля, воздействующего на магнитные моменты молекул, хаотическое расположение молекул обеспечивает макроскопическую изотропию среды, несмотря на отдельную анизотропию молекул. Наложение достаточно сильного магнитного поля, ориентирует магнитные моменты относительно магнитного поля. Ориентация анизотропных молекул сообщает всей среде свойства анизотропии. Возникновение двойного лучепреломления под действием магнитного поля происходит, когда направление распространения света происходит перпендикулярно силовым линиям магнитного поля.

, где D- постоянная, зависящая от свойств среды.