Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 116
Текст из файла (страница 116)
Однако и в таком виде он дает в опытных руках довольно много, сильно сокращая предварительную работу по расчету новых конструкций. В настоящее время имеется уже обширная литература, посвятценная применениям этого метода. й 152. Двойное лучепреломление в электрическом поле (явление Керра) а. О б щ и е с в е д е н и я. Возникновение анизотропии под действием внешнего электрического поля представляет собой явление, с теоретической стороны значительно глубже разработанное. чем явления, изученные в предыдущем параграфе, и имеющее поэтому гораздо ГЛ. ХХЪ'Н, ИСКУССТВЕННАЯ АНИЗОТРОПИЯ 481 болыпее значение как для понимания механизма анизотропии вообще, так и для вопросов, связанных с исследованием молекулярной структуры.
Причина этого лежит прежде всего в том, что явление Керра удалось наблюдать в гораздо более простых для теоретической трактовки условиях, а именно в газах, хотя первые наблюдения относились к твердым телам и жидкостям, в которых этот эффект выражен значительно сильнее. Кроме того, механизм воздействия внешнего однородного электрического поля на молекулы гораздо проще и понятнее, чем эффекты механических деформаций, трактовка которых требует исследования воздействия на молекулы междумолекулярных электромагнитных полей, изменяющихся вследствие деформаций, т.е. исследования влияния очень сложного и плохо изученного фактора.
Вместе с тем явление Керра нашло за последние годы ряд чрезвычайно важных научных и научно-технических применений, основанных на способности его протекать практически безынерционно, т.е. следовать за очень быстрыми переменами внешнего поля. Таким образом, и по теоретической, и по практической ценности явление двойного лучепреломления в электрическом поле принадлежит к числу крайне интересных и важных. Как уже упоминалось (см. 8 2), о желательности постановки подобных опытов писал еще Ломоносов (1756 г.): о неудаче попытки обнаружить, влияет ли электризация на преломляющую способность жидкости, сообщает Юнг (1800 г.); и лишь в 1875 г.
были выполнены опыты Керра, надежно установившие явление. Керр показал, что многие жидкие диэлектрики становятся анизотропными под действием электрического поля. Опыты с жидкими диэлектриками имеют решающее значение, ибо для жидких веществ деформация, могущая возникнуть под действием электрического поля (электрострикция), не вызывает двойного лучепреломления ), так что в опытах с жидкостью мы имеем электрооптические явления в чистом виде. Описанный Керром эффект стал первым доказательством того, что оптические свойства вещества могут изменяться под влиянием электрического поля. Наряду со знаменитым явлением Фарадея (вращение плоскости поляризации в магнитном поле, 1846 г.), которое было первым исследованным магнитооптическим эффектом, явление Керра сыграло важную роль в обосновании электромагнитной теории света.
В более поздние годы (1930 г. и позже) удалось наблюдать двойное лучепреломление под действием электрического поля в парах и газах. Измерения эти гораздо труднее измерений в жидкостях вследствие малости эффекта, зато теория явления приложима к ним с меньшими оговорками. б. Методы наблюдения и экспериментальные д а н н ы е.
Под влиянием электрического паля вещество становится в оптическом отношении подобным одноосному кристаллу с оптической осью вдоль направления электрической напряженности, являющегося осью симметрии. 11 ) Исключения составляют очень вязкие жидкости (например, желатин, пропитанный водой), в которых наблюдались подобные явления. 1б Г.С. Ландсберт 482 ОптикА АпизОТРОпннх сРед Схема наолюдения явления изображена на рис. 27.2. Главные плоскости поляризаторов Х1 и Ьа составляют с направлением поля угол, отличный от нуля (лучше г+ м всего 45'). 1~г Если поляризаторы скрещены и электрическое поле не наложено, то свет не проходит через эту систему.
При наложении электрического поля жидкость Рис. 27,2. Схема.расположения прибо- междУ обкладками конденсаторов для наблюдения двойного лучепре- Ра становитсЯ ДвоикопРеломлиюломления в электрическом поле щей~ так что свет, выходящий из Х~, оказывается эллиптически-поляризованным и может быть исследован при помощи компенсатора М. Опыт показывает, что для монохроматического света данной длины волны Л разность показателей преломления и,, — и, пропорциональна квадрату напряженности поля Е: п, — и, =.юг, (152.1) и, следовательно, разность хода, приобретаемая лучами на пути 1, равна 6 =1(и, — п,) = ЫЕа (152.2) (здесь и дальше предполагается, что поле однородно, а луч перпендикулярен к направлению поля). Выражая эту разность в длинах волн, получаем сдвиг фазы р = — = 2яВ1Е~ (152.3) где В = х/Л вЂ” постоянная Керра.
Как видно из квадратичной зависимости 6 от .Е„сдвиг фазы ие зависит от направления полл. Для большинства жидкостей и, > п„т.е. В ) 0: их анизотропия соответствует анизотропии положительного кристалла. Есть, однако, жидкости, для которых В ( 0 (например, этиловый эфир, многие масла и спирты).
Числовые значения постоянной Керра для разных веществ весьма различны. Максимальным значением В среди всех известных веществ обладает нитробензол„ для которого В ~ 2 10 5 СГСЭ '). Таким образом, если, например, на обкладки конденсатора длиной 1 = 5 см с расстоянием между ними д = 1 мм наложена разность потенциалов в 1500 В, т.е. напряженность поля равна 15000 В,~см = 50 СГСЗ, то разность фаз в нитробензоле достигает гг/2, иными словами, такой конденсатор Керра действует, как пластинка в четверть волны. Понятно, что нетрудно обнаружить гораздо меньшую разность фаз, и, следовательно, опыты с нитробензо- 1'~ ) Мы оставляем в стороне некоторые материалы (например, коллоидный раствор одного сорта глины, так называемого бентонита), для которых постоянная Керра может достигать значений, в 10 раз ббльших, Эти материалы представляют некоторый интерес для техники. 483 ГЛ.
ХХУН, ИСКУССТВЕННАЯ АНИЗОТРОПИЯ лом не наталкиваются на какие-либо трудности, связанные с чувствительностью. Поэтому нитробензол находит себе широкое применение во всех технических устройствах. Для других жидкостей постоянная Керра значительно меньпге; например., для хлорбензола она равна 10 10 ~, для воды 5 10 ~, для сероуглерода 3,5 10 7, для бензола 0,5 10 т СГСЭ. Еще меньше постоянная Керра для газов. Так, для парообразного сероуглерода (при давлении 900 мм рт. ст. и температуре 57 'С) В = 3,6. 10 ш, для парообразного нитробензола 27 10 '", а для такого газа, как азот, всего лишь 0,4.
10 10 СГСЭ. Из приведенных данных, относящихся к длине волны Л = 546,0 нм (зеленая линия), видно, насколько трудно исследование явления Керра. в газах. В первых измерениях этого рода применялся конденсатор с длиной пластин 50 см и с расстоянием между ними около 4 мм, на которые накладывалась разность потенциалов 15 000 — 20 000 В, так что напряженность поля достигала 40 000 — 50 000 В,'см и получающаяся разность хода измерялась с помощью специальных анализаторов с точностью до 5.
10 " длины волны. Постоянная Керра увеличивается при уменьп1ении длины волны (дисперсия) и сильно уменьшается при повышении температуры. В обычной схеме наб;подения определяется только разность гге Но Мож11О~ ОДНаКО, ОнрЕДЕЛИТЬ И ЗиаЧЕНИЯ Пе И Во В ОТДЕЛЬНО сти. Для этой дели измеряют разность и, — и или и, — и, т.е. разность между показателем преломления необыкновенного (или обыкновенного) луча и по- К казателем преломления вещества вне электрического поля.
Такие определения можно выполнить интерференционным методом по + схеме рис. 27.3. Сущность А' этого метода, принадлежащего Л.И. Мандельштаму, 7, состоит в том, что один из лучей в интерферометре Рис. 27.3. Схема интерференционного меЖамена пропускают через тоданаблюдення разности н,— ияли и,— п жидкость, помещаемую в при двойном лученреломленнн электрическое поле (между пластинками конденсатора, расположенного в кювете Л), а другой луч направляют через жидкость, находяшуюся вне электрического поля. Измеряя смещение полос интерференционной картины при включении электрического поля, определяем и, — п или и,, — и в зависимости от первоначальной установки поляризатора г"»'. Если поляризатор установлен так, что колебания вектора электрического поля света происходят параллельно внешнему полю (вдоль «оптической оси»), то наблюдаемое смещение полос определяет величину и, — гг; при повороте поляризатора на 90 — величину гг~ — и.
1б" 484 ОПТИКА А11ИЗОТРО1И1ИХ СРЕД Результаты тщательных измерений величин п, — п и и,, — и дают (для болыпинства ветцеств) ' = — 2. (152.4) по — и в. Явление Керра, вызванное электрическим полем мощного импульса света. Вышеречь шла о возникновении двойного лучепреломления в изотропной среде под действием постоянного электрического поля. Такое же явление наблюдается и в переменном электрическом поле и даже в поле световой волны. Развитие лазерной техники позволило генерировать импульсы света с напряженностью электрического поля, достигающей очень болыпих значений (см. ниже гл. Х?.), и экспериментально доказано, что под действием поля мощного импульса света в жидкостях возникает двойное лучепреломление.
В первом опыте такого рода (ЪЛайер и Жирэ, 1964 г.) длительность импульса света составляла 5,5 10 в с, энергия 0,14 Дж, а среднеквадратичная напряженность ъ' Е~ = 39 кВ/см. Принципиальная схема опыта показана на рис. 27.4. фЪ ~) Рнс. 27.4. Принципиальная схема опыта по созданию двойного лучепреломления под действием мощного импульса света После светофильтра Г голубой свет (Л вЂ” 500 нм) справа налево проходит через ячейку, наполненную изучаемой жидкостью, и, отразившись от пластинки 5, попадает на фотоумножитель ФЭУ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
