§ 7 . Искусственная оптическая анизотропия (С.Н. Козлов, А.В. Зотеев - Колебания и волны. Волновая оптика)

Глава V. Поляризация волнЕсли в качестве источника света использовать лазер, тоинтерференционная картина, естественно, получается одноцветной,но зато очень чёткой. Небольшое отклонение оптической осикристаллаотнормалипроявляетсявповерхностиискаженииинтерференционнойоптическийкцентральнойкартины.методпластинкиПоэтомунаблюдениясразусимметрииполяризационно–кристалловвсходящемсялазерном пучке света (т.н. «метод лазерной коноскопии») широкоиспользуется для точного определения ориентация оптическойоси кристаллов. Кроме того, метод позволяет легко отличатьодноосные двоякопреломляющие кристаллы от двуосных.§7.

Искусственная оптическая анизотропияВсе физические воздействия, способные ориентироватьструктурные элементы первоначально изотропного вещества,могутвызыватьанизотропии.возникновениеОстановимсяискусственнойкратконаоптическойосновныхспособахформирования искусственной оптической анизотропии.1.

Пьезооптический эффект («фотоупругость»)Пьезооптический эффект состоит в появлении оптическойанизотропии при приложении к первоначально изотропномутвёрдомутелу(вчастности,полимеру)механическогонапряжения. Физический механизм этого эффекта ясен изрис.5.15,а – при растяжении или сжатии твёрдого тела вдолькакой-либоосипроисходитрасстояниямеждуатомамиувеличениевдольэтойилиосиуменьшениесовсемивытекающими отсюда последствиями.

Очевидно, знак nе – nо168Колебания и волны. Волновая оптиказависит от характера воздействия (растяжение или сжатие);эффект является линейным по напряжению:nе – nо = K1⋅σ.(5.17)Здесь σ = F/S – механическое напряжение, K1 – упругооптическаяпостоянная(иногдаеёназываютпостояннойБрюстера).Типичные величины упругооптической постоянной для стёколлежат в пределах K1 = 10-12–10-11 м2/Н.Линейная зависимость междуσи (nе – nо) выполняетсятолько при не очень больших механических напряжениях.Методфотоупругостииспользуетсядляизученияраспределения механических напряжений в сложных деталях,для которых расчётные методы неэффективны. Для этогоизготавливается модель детали из прозрачного вещества иподвергается требуемым воздействиям; в некоторых случаяхудобнее нанести на поверхность детали полимерное покрытие,котороезатемподнагрузкойисследуетсявотражённомполяризованном свете.2.

Электрооптические эффектыЭлектрооптический эффект – это появление оптическойанизотропии первоначально изотропного вещества при помещенииеговэлектрическоеполе.Наблюдаютсяэлектрооптическиеэффекты двух типов: линейный и квадратичный.а. Эффект Поккельса – линейный электрооптический эффект,которыйудаётсянаблюдатьтольковпьезоэлектрическихкристаллах.

Пьезоэлектриками называются вещества, сжатие илирастяжениекоторыхпоопределённымнаправлениямсопровождается появлением электрической поляризации (т.н.169Глава V. Поляризация волн«прямой пьезоэффект») и наоборот, приложение электрическогополявызываетрастяжениеилисжатиекристаллапонаправлению поля («обратный пьезоэффект»). Поскольку связьмежду деформацией и напряжённостью электрического поля дляпьезоэлектриков линейна, по аналогии с упругооптическимэффектом имеем:nе – nо = K2Е,(5.18)где E – величина напряжённости электрического поля, K2 –постоянная Поккельса. Для типичного пьезоэлектрика – ниобаталития LiNbO3 – величина постоянной Поккельса K2 = 3,7⋅10-10 м/В.Кроме того, для изготовления «оптических затворов» наоснове эффекта Поккельса используют такие пьезоэлектрики, какдигидрофосфат калия (КДР) – KH2РО4 и дигидрофосфат аммония(АДР) – NH4H2PO4.Для того, чтобы пластинка ниобата лития толщиной порядкамиллиметравыполняларольнеобходимоприложитьк«полуволновой»нейэлектрическоепластинки,полеснапряжённостью Е ≈ 5⋅105 В/м.б.

Эффект Керра – квадратичный электрооптический эффект.Эффект Керра наблюдается в жидкостях, стёклах, а такжекристаллических веществах (не в пьезоэлектриках!). В результатеприложения к этим веществам электрического поля появляетсяоптическая анизотропия (оптическая ось направлена вдоль поля),причём различие между показателями преломления обыкновенногои необыкновенного лучей, квадратично зависит от величины поля:nе – nо = K3Е2,170(5.19)Колебания и волны. Волновая оптикаВеличина постоянной Керра для нитробензола, например, равнаK3 = 10-18 м2/В2. В электрическом поле Е = 106 В/м разность фазмежду обыкновенным и необыкновенным лучами достигает π(«пластинка λ/2»), если толщина слоя нитробензола h = 20 см.Физическая причина эффекта Керра состоит в ориентацииструктурныхэлементовнитробензола)ввеществаэлектрическом(например,поле,либомолекулвискаженииэлектронных оболочек молекул или атомов в электрическом поле.В первом случае эффект Керра называется ориентационным, онможет наблюдаться только в веществах, состоящих из дипольныхмолекул.

Эффект Керра второго типа (“поляризационный”)характерендляпервоначальновеществ,немолекулыобладаютилидипольнымиатомыкоторыхмоментами,нодостаточно сильно поляризуются в электрическом поле.БлагодаряквадратичностиэффектаКерра,переменноеэлектрическое поле достаточно мощного лазерного излучениябудетвызыватьвэтомвеществепоявлениеоптическойанизотропии. Её легко обнаружить, пропуская луч света черезвещество, находящееся под воздействием мощного лазерногооблучения.ТакойэффектКерраназывают“оптическим”.Оптический эффект Керра – типичный пример нарушенияпринципа суперпозиции электрических полей. Вэтом случаеволна лазерного излучения изменяет свойства среды и такимобразом влияет на распространение в этой среде другойсветовой волны.НабазеэффектовПоккельсаиКеррасоздаютбыстродействующие «оптические затворы», которые находятширокое применение в науке и технике.

Принцип устройства171Глава V. Поляризация волнтакого затвора иллюстрируется рис.5.27. Между поляроидами П1и П2, главные плоскости которых взаимно перпендикулярны,помещаетсяячейкаПоккельсаилиКерра.Направлениеэлектрического поля в ячейке составляет угол π/4 с главнымиплоскостями П1 и П2 (рис.5.27,б). Величина напряжённостиэлектрического поля подбирается такой, чтобы на длине ячейкиП1П2+абоптическаяразностьходамежду обыкновенным и необыкновеннымлучами, равная λ/2.

Тогда при приложении–П1набираласьк ячейке электрического поля плоскость+–П2колебаний падающего на неё луча светаповернётся на π/2 и вышедший из ячейкилучРис.5.27пройдетчерезполяроидП2.Вотсутствии электрического поля затвор“закрыт” – свет через него не проходит.Очевидно, что затворы на базе эффекта Поккельса можноиспользовать для модуляции светового потока – т.е. для передачиинформации оптическим способом (ячейки Керра для этого менеепригодны из-за нелинейной связинапряжённостьюполя,чтоявляетсямеждуnе – nопричинойиискажениясигнала). Максимальная частота модуляции сигнала при помощиячейки Поккельса порядка 1013 Гц, что позволяет реализоватьогромную плотность передачи информации. Быстродействиезатворов Керра, основанных на поляризационном эффекте,такого же порядка, для ориентационного эффекта Керра “времясрабатывания” на 4–5 порядков больше (ориентация молекул –достаточно инерционный процесс).172Колебания и волны.

Волновая оптика3. Магнитооптический эффект (эффект Коттона-Мутона)Эффект Коттона-Мутона – это “магнитный аналог” эффектаКерра. Объяснение этого эффекта аналогично изложенному вышеобъяснению эффекта Керра. Величина возникающей в магнитномполе оптической анизотропии вещества квадратично зависит отиндукции магнитного поля:nе – nо = K4В2.(5.20)Постоянная Коттона-Мутона K4 обычно очень мала (дляжидкостей K4 = 10-10–10-9 Тл-2).

Наибольшие величины K4 = 10-7–10-6 Тл-2зарегистрированы для некоторых коллоидных растворов и жидкихкристаллов, однако, даже для этих веществ в достаточно сильныхмагнитных полях ∼ 1 Тл на пути h = 1 см достигается разность фазмежду обыкновенными и необыкновенными волнами всего внесколько градусов. Поэтому практических применений эффектКоттона-Мутона пока не нашел.

Тем не менее, его можноиспользовать в чисто научных целях для изучения магнитныхсвойств и структуры молекул, а также их комплексов.В заключение отметим, что все постоянные K1 – K4 всоотношениях (5.17)–(5.20) могут быть, в зависимости от типавещества, как положительными, так и отрицательными.

Крометого,дляявленияискусственнойанизотропиихарактернадисперсия – т.е. зависимость величин постоянных K1 – K4 отдлины волны света.173.