Ландсберг Г.С. - Оптика (1070727), страница 117
Текст из файла (страница 117)
При скрегценных поляризаторах (как на рис. 27.4) голубой свет не может попасть в ФЭУ. Если в такую установку слева направо входит мощный импульс света, то оп вызывает в жидкости двойное лучепреломление и голубой свет будет попадать на ФЭУ, пока импульс проходит через ячейку с жидкостью. Для определения постоянной Керра В измеряется разность хода д (см. (152.2)), создаваемая под действием поля лазерного ГЛ. ХХЪ'Н, ИСКУССТВЕННАЯ АНИЗОТРОГ1ИЯ 485 импульса, а затем в ячейке такой же длины и с тем же веществом добиваются той же разности хода, накладывая постоянное поле.
Оказалось, что равные разности хода в случае бездипольных молекул жидкости создаются практически равными напряженностями поля, что означает равенство гюстоянных Керра в статическом поле и при световой частоте. Однако для дипольных молекул результат оказывается существенно иным. Например, для нитробензола постоянная Керра в поле световой частоты приблизительно в 100 раз меньше, чем в статическом или квазистатическом поле. г. О с и о в ы т е о р и и явления.
С молекулярной точки зрения обьяснение явления Керра лежит в оптической анизотропии молекул жидкости или газа, в которых наблюдается этот эффект. Такие анизотропные молекулы в поле световой волны обнаруживают большую или меньшую поляризуемость в зависимости от ориентации их по отношению к электрическому вектору световой волны. Однако в обычных условиях молекулы, составляющие среду, расположены вполне хаотически, так что при распространении световой волны с любым направлением электрического вектора и по любому направлению она будет встречать в среднем одинаковые условия: среда ведет себя как макроскопически изотропная.
Но если наложение достаточно сильного электрического поля вызовет преимущественную ориентацию молекул, то некоторое направление в среде окажется направлением большей поляризуемости, чем другие. Поэтому и скорость распространения световых волн будет зависеть от расположения электрического вектора волны внутри среды, г.е.
от направления распространения световых волн и характера их поляризации: среда приобретает анизотроппый характер. Так как внешнее электрическое поле является осью симметрии, то диэлектрические проницаемости вдоль поля и в перпендикулярном направлении будут различны; но все направления, перпендикулярные к направлению поля, равноправны. Выбрав оси координат вдоль поля (-) и в двух взаимно перпендикулярных направлениях, например вдоль луча (р) и перпендикулярно к нему 1х), получим три главных направления со значениями диэлектрической проницаемости е„и е = ед. Таким образом, эллипсоид диэлектрической проницаемости есть эллипсоид вращения, и среда подобна одноосному кристаллу, причем направление электрического поля представляет собой оптическую ось. Ориентация анизотропных молекул под действием внешнего электрического поля может происходить двояким образом.
Первоначальная теория (Ланжевен, 1910 г,) рассматривала молекулы, которые не имеют собственного электрического момента, но приобретают его под действием внешнего поля. В первом приближении величину приобретенного молекулой момента р можно считать пропорциональной напряженности внешнего поля Е, т.е. р = ~Ю. Для анизотропных молекул х зависит от направления внутри молекулы, и р не совпадает с направлением действующего поля.
Поэтому возникает пара сил, момент которой стремится ориентировать молекулы осью наиболь1пей поляризуемости вдоль поля. 'Хаким образом, среда становится анизотропной. Направление этого момента остается неизменным при изме- 486 ОптикА Ан1лзОТРО1111нх сРед пении направления поля на противоположное, и поэтому даже при световых частотах поля происходит ориентация молекул. Если на среду падает свет, то наибольший показатель преломления будут иметь волны, электрический вектор которых направлен вдоль линии максимальной поляризуемости, т.е. вдоль внешнего поля. Так как направление внешнего поля играет по отношению к среде роль оптической оси, то, следовательно, волна с наибольшим показателем преломления есть волна необыкновенная (колебание вдоль оси), т.е.
а,>'п и В>0. Таким образом, теория Ланжевена объясняет явление Керра, но оставляет непонятным существование (хотя и в меньшем количестве) веществ, для которых п, < п„т.е. В < О. Борн (1916 г.) дополнил теорию Ланжевена, приняв во внимание возможность существования молекул со значительным постоянным электрическим моментом, направление которого может не совпадать с направлением наиболыпей поляризуемости. В таком случае молекула ориентируется внешним полем так, что по направлению внепп1его поля стремится установиться ее постоянный момент, а направ, ление наибольшей поляризуемости (т.е. наибольптей диэлектрической проницаемости) может составить заметный угол с направлением внешнего поля (играющим роль оптической оси). В зависимости от взаимного расположения этих двух направлений вещество может характеризоваться положительным или отрицательным значением постоянной Керра В.
В частности. если направление максима.льной поляризуемости совпадает с направлением постоянного момента, то В > 0; если они взаимно перпендикулярны. то В < О. При некотором промежуточном положении В может равняться нулю, т.е. вещество не обнару.живает явления Керра.
Отсюда понятно, почему вещества с близкими электрическими моментами и не си.льно различающимися поляризуемостями (показателями преломления) могут очень сильно отличаться по отнопьению к эффекту Керра. Так, метилбромид имеет постоянную Керра, в сотни раз большую, чем метиловый спирт, хотя электрические моменты их и поляризуемости отличаются незначительно. При световых частотах внешнего поля дипольная молекула, вследствие своей инерционности, не успевает ориентироваться в такт с изменениями направления напряженности поля; следовательно постоянный дипольный момент молекулы перестает вносить свой вклад в постоянную Керра. Поэтому при световых частотах внешнего поля постоянная Керра нитробензола, например, в 100 раз меньше, чем в статическом поле.
Молекулярно-кинетическое вычисление анизотропии, возникающей под действием электрического поля, требует статистического учета всех возможных ориентаций молекул под действием внешнего поля Е и теплового движения. Оно приводит к результатам, согласным с опытом, а именно: постоянная Керра должна быть пропорциональна квадрату напряженности внешнего поля и уменыпается с увеличением температуры, ибо под действием тепловых столкновений расстраивается ориентация молекул, определяющая возникновение анизотропии.
ГЛ. ХХУП. ИСКУССТВЕННАЯ АНИЗОТРОНИЯ 487 Как уже упоминалось, ориентационная теория может претендовать на количественное совпадение с опытом только в случае газов, когда можно не учитывать взаимодействия между молекулами, характерные для жидкостей. Приводимая табл. 27.1 для парообразного этилхлорида показывает, Таблица насколько хорошо температурная зависимость Температурная зависимость согласуется с опытом. постоянной Керра В для этилхлорида Исходя из общих соображений, можно также Абсолю~~ал В 10' при 760 мм рт. ст. температудо известной степени сде-, К наблюденная вычисленная лать понятным, почему разность п, — и, в явле- 291 9.,55 9,55 328 7 7,25 7,30 на квадрату напряженности электрического поля.
377 4,42 4,40 Действительно, изменение 452 5 2,56 2,61 знака поля соответствует изменению на 180' положения кристалла, которому уподобляется вещество в электрическом поле, т.е. переворачиванию кристалла. Но такое переворачивание не меняет оптических свойств кристалла. Следовательно. и оптические свойства вещества не должны зависеть от направления электрического поля, т.е. разность и, — и должна быть пропорциональна четной степени напряженности поля, и именно второй.
ибо члены высшего порядка играют меньшую роль. Теория также приводит к отношению и,— и = — 2, установленному на опыте. ио д. Время существования явления Керра. Некоторые применения ячейки Керра. Для исследования природы явления Керра немаловажно решение вопроса о длительности процессов, приводящих к возникновению или исчезновению двойного лучепреломления в электрическом поле. Измерение времени существования явления Керра было начато Абрагамом и Лемуаном (1899 г.) и несколько раз повторялось вплоть до 1939 г.
Во всех этих работах не удавалось измерить искомое время с удовлетворительной точностью, но можно было только сказать, что оно меньше 10 8 с, а в некоторых случаях даже меньше 10 в с. Количественное определение времени существования явления Керра удалось произвести только с применением мощных и коротких импульсов лазерного света. На рис.
27.5 представлена схема опыта. Мощный импульс света с длиной волны Л = 1,06 мкм и длительностью порядка 10 1~ с проходит через кристалл дигидрофосфата калия КН2Р04 (КБР), в котором небольшая его часть превращается в свет с удвоенной частотой, т.е. его длина волны Л = 0,53 мкм (подробно об этом явлении см. 3 236). Зеркало 51 пропускает инфракрасный свет и отражает зеленый, а зеркало Я2 пропускает зеленый и отражает инфракрасный. За зеркалом 52 расположена ячейка с изучаемым веществом между скрещенными поляризаторами Р1 и Р.. После 488 О11'гикА АпизОТРО1и1нх сРед Р2 помещается светофильтр Г, отсекающий инфракрасный и пропускающий на фотоумножитель ФЭУ только зеленый свет.
Можно так расположить детали установки, чтобы оптические пути зеленого и инфракрасного лучей были одинаковыми. С помощью пластинок стекла .О различной толщины можно задерживать прибытие зеленого луча Рис. 27.5. Схема для определения времеви исчезновения двойного луче- преломления в ячейку на различные промежутки времени. Устройства различной конструкции, позволяющие создавать задержку в прибытии одного сигнала относительно другого, носят название линий задержки.
Мощный импульс инфракрасного излучения создает в ячейке двойное лучепреломление, в результате которого зеленый свет также проходит через всю систему и достигает фотоумножителя. Если зеленый свет дойдет до ячейки раньше мощного импульса или много позже его, то он, разумеется, не сможет достигнуть фотоумножителя.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
