Лекция 20. Искусственное двойное лучепреломление

Во многих кристаллических и аморфных телах двойное лучепреломление может возникать вследствие внешних воздействий, в частности, при механических деформациях. Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Опытным путем установлено, что эта разность пропорциональна величине напряжения s в каждой точке тела

, (207)

где коэффициент k зависит от свойств вещества.

Поместим стеклянную пластинку между двумя скрещенными поляризаторами (рис.77). Пока пластинка не деформирована, свет в горизонтальном направлении не будет проходить. Если сжать пластину, свет начнет проходить через систему, причем картина, наблюдаемая в прошедших лучах, будет содержать многочисленные цветные полосы. Каждая такая полоса соответствует одинаково деформированным местам пластинки. Таким образом можно судить о распределении напряжений в образце, что нашло свое применение при испытаниях эксплуатационных свойств различных конструкций.

Возникновение двойного лучепреломления в жидкостях и в аморфных твердых телах было обнаружено Дж. Керром в 1875 г. Установка для исследования эффекта Керра состоит из ячейки, помещенной между двумя скрещенными поляризаторами (рис.78). Ячейка Керра представляет собой герметичный сосуд с жидкостью, в которую введены пластины конденсатора. При подаче на этот конденсатор напряжения под действием электрического поля конденсатора жидкость приобретает свойства одноосного кристалла с оптической осью, ориентированной вдоль поля. При этом возникает разность показателей преломления n_o и n_e, которая пропорциональна квадрату напряженности электрического поля

n_o - n_e = kE². (208)

При прохождении пути l между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает разность хода

D = (n_o - n_e)l = klE²

и разность фаз

.

Запишем последнее выражение в общепринятом виде

d = 2pBlE², (209)

где величина В называется постоянной Керра. Постоянная Керра зависит от природы вещества, температуры и длины волны света.

Эффект Керра объясняется различной поляризуемостью молекул по разным направлениям. В отсутствие поля молекулы ориентированы хаотически, поэтому в целом жидкость не обнаруживает анизотропии. Под действием поля молекулы поворачиваются так, чтобы их собственные или наведенные дипольные моменты ориентировались вдоль поля. В результате жидкость становится оптически анизотропной. Тепловое движение молекул стремится нарушить эту ориентацию, поэтому с повышением температуры постоянная Керра уменьшается.

Естественноевращение плоскости поляризации. Некоторые вещества, называемые оптически активными, способны вращать плоскость поляризации проходящего через них плоскополяризованного света. К их числу принадлежат кварц, скипидар, водные растворы сахара и некоторые другие.

Кристаллические вещества сильнее всего вращают плоскость поляризации, если свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол j поворота пропорционален пути l, пройденному лучом в кристалле

j = al. (210)

Коэффициент a, называемый постоянной вращения, зависит от длины волны.

В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорционален не только l, но и концентрации с активного вещества

j = [a]сl. (211)

Величина [a] называется удельной постоянной вращения.

Оптически активные вещества подразделяются на право- и левовращающие. Причем каждое из таких веществ существует в обоих модификациях, например, существует право- и левовращающий кварц. В конечном итоге это связано с тем, из каких именно зеркальных изомеров молекул состоит данный образец.

Если между двумя скрещенными поляризаторами поместить оптически активное вещество, то поле зрения просветляется. Чтобы снова его затемнить, нужно повернуть один из поляризаторов на угол, определяемый выражениями (210) или (211). В частности, зная удельную постоянную вращения a для данного вещества и длину l, можно, измерив угол поворота j, определить по формуле (211) концентрацию раствора с.

Магнитное вращение плоскости поляризации. Многие вещества приобретают способность вращать плоскость поляризации под действием магнитного поля. Это явление в честь автора открытия называется эффектом Фарадея. Оно наблюдается только при распространении света вдоль направления намагниченности. Угол поворота плоскости поляризации j пропорционален пути l, проходимому светом в веществе, и намагниченности вещества, которая, как было показано, пропорциональна напряженности магнитного поля Н. Поэтому

j = VlH, (212)

где величина V называется постоянной Верде или удельным магнитным вращением. Постоянная V также, как и a, зависит от длины волны. Магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено прецессией электронных орбит, возникающей под действием магнитного поля.