Искусственная оптическая анизотропия. Эффект Керра, эффект Коттона-Мутона, фотоупругость

Естественная оптическая анизотропия для ряда кристаллов связана с ориентационной и пространственной упорядоченностью расположения в них атомов, молекул или ионов, т.е. с анизотропией среды. В общем случае такая упорядоченность отсутствует у аморфных твердых тел и жидкостей, за исключением жидких кристаллов. Поэтому они являются оптически изотропными, т.е. их оптические свойства одинаковы во всех направлениях. Оказывается, что оптически изотропные среды приобретают анизотропные свойства под действием одностороннего сжатия (или растяжения), электрического или магнитного полей. В этом случае вещество приобретает свойства одноосных кристаллов, оптическая ось которых совпадает с направлениями деформации и электрического или магнитного поля. Мерой оптической анизотропии является разность показателей преломления обыкновенного n_o и необыкновенного n_e лучей, которые распространяются в направлении, перпендикулярном оптической оси.

Оптическая анизотропия, возникающая под действием электрического поля, зависит от величины напряженности Е этого поля. Это явление было открыто в 1875 г. шотландским физиком Джоном Керром, и оно в последствии было названо эффектом Керра.

Мера анизотропии в этом случае определяется соотношением:

, (4.5.1)

где В – постоянная Керра; l – длина волны света; Е – напряженность приложенного электрического поля.

Постоянная Керра зависит от природы вещества, длины волны и температуры.

На рис. 4.5.1 представлена схема наблюдения эффекта Керра. Ячейка Керра расположена между скрещенными под углом 90° поляризаторе П и анализаторе А. Ячейка Керра представляет собой сосуд из жидкого диэлектрика (например, нитробензол), помещенного между пластинами плоского конденсатора. В отсутствии напряжения на конденсаторе жидкий диэлектрик является изотропной средой (полярные молекулы диэлектрика из-за теплового движения имеют различную ориентацию в пространстве) и поэтому не изменяет поляризации падающего на него излучения. Поэтому через такую систему свет не проходит.

При подаче на пластины конденсатора напряжения молекулы диэлектрика будут выстраиваться вдоль направления линии напряженности электрического поля (рис. 4.5.2), среда становится анизотропной, она изменяет поляризацию падающего излучения, и световой сигнал проходит через такую систему.

Картина распределения интенсивности прошедшего света зависит от напряженности электрического поля. Эффект Керра находит широкое практическое применение. Оптическая анизотропия возникает и исчезает при включении и выключении электрического поля практически безынерционно (составляет примерно 10^-10 с). Ячейка Керра является хорошим световым затвором (для получения световых сигналов мало длительности) и применяется в быстро протекающих процессах (запись и воспроизведение звука, скоростная фото- и киносъемка, оптическая телефония и т. д.). Эффект Керра также был обнаружен для газов.

Оптическая анизотропия может возникають под действием магнитного поля. Это эффект был открыт в 1907 году французскими физиками А. Коттоном и Г. Мутоном и получил название эффект Коттона–Мутона. Этот эффект описывается соотношением:

, (4.5.2)

где С – постоянная Коттона-Мутона; l – длина волны света; Н – напряженность магнитного поля. Постоянная Коттона-Мутона зависит от природы вещества, длины волны и температуры.

Если молекулы среды анизотропны и обладают постоянными магнитными моментами, то они могут преимущественно ориентироваться в постоянном магнитном поле. В достаточно сильных магнитных полях возникает анизотропия, и связанное с ней двойное лучепреломление среды. Эффект Коттона-Мутона наблюдался в жидкостях, стеклах, в газах пока не обнаружили.

Явление оптической анизотропии, возникающей под действием механических напряжений, получило название явления фотоупругости.

При механических воздействиях

, (4.5.3)

где k – коэффициент, характеризующий вещество; s — механическое напряжение.

Этот метод широко используется для изучения распределения этих напряжений в моделях различных сооружений и устройств. Из прозрачного изотропного материала изготавливают аналог механической детали и помещают его между двумя поляроидами, оси пропускания которых взаимно перпендикулярны (рис. 4.5.3).

При отсутствии механических сил изотропный материал не изменяет поляризации падающего на него света, и поэтому на экране, будет наблюдаться темное пятно. Если подвергнуть деформации деталь, то тогда в области деформации материал становится анизотропным, и за счет явления двойного лучепреломления в области деформации происходит изменение поляризации падающего света. Возникает интерференционная картина, которая возникает при наложении обыкновенных и необыкновенных лучей на выходе из деформированной модели. Интенсивность прошедшего света в случае однородной деформации зависит от разности , а значит, и от механического напряжения в исследуемом образце. Создавая в прозрачной детали напряжения, которые свойственны механической детали в ее рабочем состоянии, на экране можно наблюдать разноцветную картину различных напряжений в ней. Причем одному цвету будет соответствовать одна и та же степень деформации детали, изменяя нагрузки на нее, можно наглядно видеть, как происходит изменение напряжений в детали (рис. 4.5.4).

Исследование эффектов, связанных с искусственной анизотропией среды, также позволяет получить информацию о структуре и ориентационной подвижности молекул в веществе.

В заключение отметим, что возникновение оптической анизотропии возможно и под действием мощного светового (лазерного) пучка. Электрическое поле световой поляризованной волны способно поляризовать молекулы или атомы вещества, что вызывает оптическую анизотропию среды. Этот метод успешно используется при изучении быстро протекающих релаксационных процессов в жидкостях благодаря применению пикосекундных лазерных световых потоков (длительность светового импульса 10^-12 с).

Дата добавления: 2015-06-04