Искусственная оптическая анизотропия. Эффект Керра

Явление двойного лучепреломления можно получить и в оптически однородных веществах. Существует три разных принципиальных способа, получения анизотропности веществ:

1) механическая деформация кубических кристаллов (одностороннее сжатие или разряжение)

2) создание электрического поля в газах, жидкостях, аморфных телах (эффект Керра)

3) создание магнитных полей в жидкостях, коллоидах, в стеклах.

Под действием этих причин вещества могут стать анизотропными, и степень анизотропии определяется как разность показателя преломления обычных и необычных лучей в направлении перпендикулярной главной оптической оси. Оптическая ось в таких анизотропных веществах возникает:

- либо вдоль линии деформации;

- либо вдоль направления электрического поля;

- либо вдоль направления магнитного поля.

Степень анизотропии в зависимости от эффекта определяется по формуле (1)

(1)

где - механическое напряжение;

Е- напряженность электрического поля;

Н- напряженность магнитного поля;

k₁, k₂, k₃ – коэффициенты, зависящие от падающего света, температуры и химического состава вещества.

Рассмотрим поподробнее эффект Керра: возникновение оптической анизотропии в жидкости под действием внешнего электрического поля. Для рассмотренного эффекта используется установка, которая называется ячейкой Керра. Она состоит из следующих приборов: поляризатора, анализатора, кюветы с нитробензолом.

Поляризатор и анализатор – два николя, у которого оптические оси взаимноперпендикулярны, то есть скрещены. Если оптические оси взаимноперпендикулярны, то согласно закону Малюса

I=I₀cos²φ (2)

Свет в глаз наблюдателя не попадает.

Нитробензол – оптически изотропное вещество. Введем в кювету с нитробензолом пластины конденсатора, на которую подадим напряжение . После того, как мы подали напряженность, возникло электрическое поле напряженностью Е и в глаз наблюдателя начал попадать свет. Если мы заметим, что интенсивность света начнет изменяться, это значит, изменяется анизотропия вещества и при некотором угле φ в глаз наблюдателя свет. Если мы будем поворачивать анализатор А, то мы заметим, что интенсивность света начнет изменяться, это значит, изменяется анизотропия вещества и при некотором угле φ в глаз наблюдателя свет опять не попадает.

(3)

(4)

(5)

Формула (3) выражает оптическая разность хода, возникшую между обыкновенным и необыкновенным лучом. С другой стороны, согласно формуле (1), где - длина кюветы. Угол, между оптическими осями возникший вслед воздействия электрического поля определяют по формуле (5), где - длина волны падающего света. В формулу (5) подставим формулу (4)

(6)

где В - постоянная, которая называется постоянной Керра.

Постоянная Керра зависит от длины волны, температуры и химической природы вещества. Как же объясняется эффект Керра?

Объяснение было дано Ланжевеном (1910). Нитробензол – оптическое однородное вещество, состоящее из молекулярных диполей. Эти диполи вследствие хаотического теплового движения ориентированы произвольно, и поэтому вещество изотропно.

Под действием электрического поля диполи начинают ориентироваться по полю, и возникает преимущественная ориентация вдоль поля, вещество становится анизотропным.

И чем больше напряженность электрического поля Е, тем больше степень анизотропии. Явление Керра практически безинерционна, то есть переход вещества из анизотропного состояния в анизотропное происходит за время ~ 10^-10с.

Явление безинерционности ячейки Керра позволяет использовать ее в качестве светового затвора. Световой затвор используется во всех процессах, где необходимо быстрое переключение, например, при записи и воспроизведении звука, в кино- и фотосъемке, в оптической локации и телефонии при определенной скорости быстропротекающих процессов.

Искусственная анизотропия под действием механического воздействия позволяет исследовать напряжение в прозрачных телах. В данном случае 0 степени деформации отдельных участков изделия судят по распределению в нем окраски. Обычно в технике используется непрозрачные материалы, например металл, пластик, поэтому об изменении напряжении в них судят по изменению напряжения в прозрачных моделях, а затем полученные выводы переносят на непрозрачные материалы.