Искусственная анизотропия. Эффект Керра
Вращение плоскости поляризации
Некоторые вещества (например кварц, водный раствор сахара, скипидар), называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации при прохождении линейно поляризованного света. Угол поворота j=a*l,(10)
где a - постоянная вращения, зависящая от свойств вещества, l- расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе.
Магнитное вращение плоскости поляризации
От естественной (спонтанной) оптической активности отличают искусственную, или наведенную (Индуцированную), оптическую активность, возникающую в среде в результате определенных внешних воздействий. Особое важное место среди них занимает магнитное поле. Оптически неактивные вещества под действием внешнего магнитного поля приобретают способность вращать плоскость поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося вдоль направления поля, т. е. вещества становятся оптически активными.
Этот эффект впервые был обнаружен в 1845 г. М. Фарадеем (Эффект Фарадея) и явился первым доказательством прямой связи оптических и электромагнитных процессов.
Опыты Фарадея, а затем более точные и полные исследования французского математика М. Верде показали, что для изотропных немагнитных веществ (пира - и диамагнетиков) в области не очень сильных полей угол поворота плоскости поляризации (фарадеевского вращения) j пропорционален длине пути D линейно поляризованного монохроматического света в веществе и индукции В внешнего продольного постоянного магнитного поля:
— закон Верде. (6)
Коэффициент V называется Постоянной Верде или Удельным магнитным вращением (Магнитной вращательной способностью). Удельное магнитное вращение аналогично вращению в оптически активных веществах зависит от свойств вещества и его физического состояния (в частности, плотности), длины волны излучения, слабо от его температуры Т. Зависимость постоянной Верде от длины волны также выражается законом Био: V = B1/l2 + B2/l4, гдеB1 и B2 – слабо зависят от температуры.
Искусственная анизотропия. Эффект Керра.
Двойное лучепреломление имеет место в естественных анизотропных средах. Существуют, однако, различные способы получения искусственной оптической анизотропии, т. е. сообщения оптической анизотропии естественно изотропным веществам.
Оптически изотропные вещества становятся оптически анизотропными под действием: 1) одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической системы, стекла и др.); 2) электрического поля (эффект Керра*; жидкости, аморфные тела, газы); 3) магнитного поля (жидкости, стекла, коллоиды). В перечисленных случаях вещество приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением деформации, электрического или магнитного полей соответственно указанным выше воздействиям.
* Д. Керр (1824—1904) — шотландский физик.
Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси:
(195.1)
где k1, k2, k3 — постоянные, характеризующие вещество, s — нормальное напряжение (см. § 21), Е и Н — соответственно напряженность электрического и магнитного полей.
На пути l между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает оптическая разность хода
(с учетом формулы (195.1)) или соответственно разность фаз
где B=k2/l — постоянная Керра.
Эффект Керра — оптическая анизотропия веществ под действием электрического поля — объясняется различной поляризуемостью молекул жидкости по разным направлениям. Это явление практически безынерционно, т. е. время перехода вещества из изотропного состояния в анизотропное при включении поля (и обратно) составляет приблизительно 10–10 с. Поэтому ячейка Керра служит идеальным световым затвором и применяется в быстропротекающих процессах (звукозапись, воспроизводство звука, скоростная фото- и киносъемка, изучение скорости распространения света и т. д.), в оптической локации, в оптической телефонии и т. д.
Искусственная анизотропия под действием механических воздействий позволяет исследовать напряжения, возникающие в прозрачных телах. В данном случае о степени деформации отдельных участков изделия (например, остаточных деформаций в стекле при закалке) судят по распределению в нем окраски. Так как применяемые обычно в технике материалы (металлы) непрозрачны, то исследование напряжений производят на прозрачных моделях, а потом делают соответствующий пересчет на проектируемую конструкцию.