Искусственная оптическая анизотропия. Эффект Керра

Двойное лучепреломление может возникать в прозрачных изотропных телах и кристаллах кубической системы под влиянием различных воздействий. Мерой возникающей оптической анизотропии может служить разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей

При одностороннем сжатии или растяжении кристаллов кубической системы или изотропных прозрачных твердых тел (стекло и др.) оптические свойства тела подобны оптическим свойствам одноосного кристалла, направление оптической оси которого совпадает с направлением деформации. Максимальное различие в показателях преломления обыкновенного и необыкновенного лучей соответствует направлению, перпендикулярному к оптической оси, и зависит от степени деформации:

(6.38.5)

где – нормальное напряжение, – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств тела. На этом основан поляризационно-оптический метод оценки механических напряжений в твердых телах.

В 1875 г. Керр обнаружил возникновение анизотропии у жидких диэлектриков под действием электрического поля. Эффект Керра – квадратичный электрооптический эффект, возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах (газах, жидкостях, кристаллах с центром симметрии, стёклах) под действием внешнего однородного электрического поля. Оптически изотропная среда, помещенная в электрическое поле, становится анизотропной, приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого направлена вдоль поля. Для монохроматического света, распространяющегося в веществе в направлении, перпендикулярном к вектору напряженности внешнего однородного электрического поля , между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает разность показателей преломления

(6.38.6)

где – коэффициент пропорциональности, ─ длина волны в вакууме, ─ постоянная Керра, зависящая от природы и температуры вещества, длины волны.

Эффект Керра объясняется оптической анизотропией молекул вещества, т.е. различной поляризуемостью молекул по разным направлениям. В отсутствие поля молекулы ориентированы хаотично, вещество в целом не обнаруживает анизотропии. Под действием электрического поля молекулы поворачиваются так, чтобы в направлении поля были ориентированы их дипольные электрические моменты (у полярных молекул) или направления наибольшей поляризуемости (у неполярных молекул). В результате вещество становится анизотропным.

Ячейка Керра представляет собой сосуд с жидкостью в который помещены пластины конденсатора. Ячейка помещается между скрещенными поляризатором и анализатором. Если к конденсатору приложить напряжение, то диэлектрик становится анизотропным, в нем возникает двойное лучепреломление и будет наблюдаться интерференционная картина. Время установления или исчезновения преимущественной ориентации молекул жидкости составляет около 10^-10 с, поэтому ячейка Керра может служить безынерционным световым затвором.

Эффект Коттона-Мутона– один из эффектов магнитооптики, заключающийся в возникновении двойного лучепреломления у изотропных веществ (жидкостей, стекол, коллоидов), под действием сильного однородного внешнего магнитного поля. Направление оптической оси совпадает с направлением магнитного поля. При распространении света в направлении, перпендикулярном к оптической оси, разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей зависит от напряженности магнитного поля :

(6.38.7)

где – постоянная Коттона-Мутона, зависящая от природы среды, длины волны и температуры. Эффект Коттона-Мутона является следствием взаимодействия магнитного поля с электронами в атоме, носителями заряда в полупроводниках, которые определяют исходные оптические свойства вещества.