Архипкин В.Г., Патрин Г.С. Лекции по оптике (2006) (1095916), страница 35
Текст из файла (страница 35)
е. необыкновенной волне), соответствует показатель преломле~ перпендикуляренния ne и фазовая скорость ve = c/ne , а волне, в которой вектор Eнаправлению внешнего поля (обыкновенная волна), соответствует показатель преломления no , т.е. среда во внешнем поле приобретает свойства положительного кристалла. Анизотропия, возникающая во внешнем электрическом поле, была отрытаКерром в 1875 г. Опыт показывает, что разность фаз обыкновенной и необыкновенной волн в среде равна2π(ne − no )d = 2πBdE 2 ,(13.8)λгде d — путь проходимый лучом света в среде.
Квадратичная зависимость разности фаз от напряженности поляризующего поля указывает на независимость знакаразности ne − no от направления поля. Константа B называется постоянной Керра.Особенно заметно эффект Керра проявляется в нитробензоле, который обладаетбольшим значением B: на пути d = 10 см и напряженности поля E = 1, 5 · 106 В/мразность фаз близка к значению π/2 (луч света распространяется в среде перпендикулярно приложенному полю).На Рис.13.8 показана схема наблюдения эффекта Керра. Между двумя скрещенными поляризаторами P1 и P2 помещается “ячейка Керра”, представляющая собойконденсатор, заполненный исследуемым веществом.
При отсутствии напряжения наконденсаторе, луч света не проходит через систему, что указывает на то, что средапри отсутствии поля изотропна. При наложении внешнего поля (приложении разности потенциалов между пластинами конденсатора) среда становится оптическианизотропной, поэтому линейно-поляризованная первым поляризатором P1 волна,пройдя через среду, становится эллиптически поляризованной и частично проходитчерез второй поляризатор.Отметим исключительно малую инерционность эффекта Керра: при включенииполя анизотропия вещества проявляется уже через время порядка 10−12 с. Подавая∆ϕ =РИС. 13.8.
Схема наблюдения эффекта Керра.145на обкладки конденсатора переменное напряжение, можно использовать устройствона Рис.13.8 для модуляции лазерного пучка вплоть до частот порядка 109 Гц. Наэтом принципе основаны высокочастотные оптические затворы.Эффект Поккельса. Электрическое поле может изменять не только оптическиехарактеристики жидкостей и газов, оптически изотропных в отсутствие поля, нотакже и оптические свойства кристаллов. Если поместить одноосный кристалл вэлектрическое поле и направить вдоль оптической оси z луч света, в котором по~ может иметь только x и y-компоненты, то фазовые скорости волн Ex и Eyле Eстановятся различными (в отсутствие поля обе компоненты имеют равные скоростиvx = vy = c/no .
Это явление называется эффектом Поккельса. Малая инерционность позволяет использовать эффект для высокочастотной модуляции света. Вотличие от эффекта Керра, разность фаз волн Ex и Ey в кристалле оказываетсяпропорциональной первой степени напряженности поля. Изменение показателя преломления (∆n) при эффекте Поккельса происходит за счет смещения электронов вкристалле в сторону того или иного иона, при этом за счет изменения электронной конфигурации меняется поляризуемость, а с ней — и показатель преломления.В силу линейности эффект Поккельса может наблюдаться лишь в кристаллах, необладающих центром симметрии.
Дело в том, что при изменении направления ориентирующего поля на противоположное, должен измениться на противоположный изнак ∆n. Это невозможно в кристаллах с центром симметрии, поскольку для нихоба взаимно противоположных направления поля физически эквивалентны.Оба эффекта — Керра и Поккельса — могут проявляться как в изменении свойствоптически анизотропных сред, так и в наведении искусственной анизотропии в среде,изотропной в отсутствие внешнего воздействия.Эффект Фарадея.
При прохождении света через вещество, помещенное в магнитное поле, наблюдается поворот плоскости поляризации линейно-поляризованнойволны. Этот эффект называется эффектом Фарадея. Угол поворота~ϕ = ρlH,(13.9)~ —напряженность магнитного поля.где ρ — постоянная Верде, l — длина среды, HРассмотрим качественное объяснение этого эффекта в рамках классического подхода. Линейно-поляризованную волну можно представить в виде суперпозиции двух~ − и правой E~ + круговой поляризацией.
В отсутствие магнитного поволн с левой Eля эти волны распространяются в среде с одинаковой скоростью. В этом случае~− и E~ + их сумма E~− + E~ + все время остается на линиипри вращении векторов EРИС. 13.9. Направление поляризации в точке z = 0 (AA) и в точке z = l (BB)146AA (Рис.13.9 а), так как их суперпозиция дает линейно поляризованную волну,проходящей через линию АА.Магнитное поле приводит к анизотропии показателей преломления n−,+ длялевой и правой поляризованных волн, т.е.
n− 6= n+ . Пройдя в такой среде путь l, вол~− и E~ + приобретают набег фазы, равный ϕ∓ = kl = kn∓ , который и определяетны E~− и E~ + в момент времени t. Как видно из Рис.13.9 б, суммарположение векторов E~ повернут относительно первоначальной вертикальной ориентации наный вектор Eугол1ωϕ = (ϕ+ − ϕ− ) = (n+ − n− )l,(13.10)22cи колебания происходят вдоль направления BB.В чем причина анизотропии показателя преломления для левой и правой круговойполяризации? С точки зрения классической физики молекулы и атомы — это системы с круговым движением электронов, создающих магнитный момент с частотойобращения ω0 . Известно, что в магнитном поле электронная орбита прецессирует счастотой Ω ¿ ω0 .
При этом возможна прецессия как совпадающая с направлениемдвижения электронов, так и противоположная. Поэтому в спектре атома, помещенного в магнитное поле, появляются две характерные частоты ω + = ω0 +Ω и ω − = ω0 −Ω.Частота ω + соответствует право-, а ω − - левополяризованному кругу излучению. Этоприводит к отличию показателей преломления n+ и n− на указанных частотах (дисперсия), т.е. n+ − n− = ∆n.Для наблюдения эффекта Фарадея исследуемое вещество помещается между полюсами электромагнита, расположенный между двумя скрещенными поляризаторами. В сердечнике магнита просверлен канал, через который пропускается пучоклинейно-поляризованного света, распространяющийся вдоль направления магнитного поля.
При отсутствии магнитного поля (ток в обмотке электромагнита выключен) через второй поляризатор свет не проходит. При включении магнитного поляпроисходит поворот плоскости поляризации на угол ϕ, пропорциональный пройденному светом пути и величине магнитного поля. В результате свет частично проходитчерез второй поляризатор. Поместив исследуемое вещество между двумя зеркалами, можно существенно увеличить проходимый светом путь (за счет многократныхотражений) и, тем самым увеличит угол поворота.13.5. Естественное вращение плоскости поляризации света. Существуют среды,при распространении в которых линейно поляризованного света происходит поворот его плоскости поляризации в отсутствии внешнего магнитного поля.
Этоявление называют естественным вращением плоскости поляризации или естественной активностью, или гиротропией. Вещества, в которых это происходит,называют гиротропными или естественно оптически активными (киральными).Естественная активность была открыта Араго в 1811 г. для кристаллов кварца. Позднее Био обнаружил поворот плоскости поляризации света в растворах сахара.Для наблюдения этого эффекта вещество помещают между скрещенными поляризаторами. Проходящий свет можно погасить поворотом одного из поляризаторов.Это значит, что свет остается линейно поляризованным, но его направление поляризации повернуто на некоторый угол относительно первоначального. Угол поворотазависит от длины волны света и пропорционален толщине слоя l активного вещества: ϕ = α0 (λ)l, α0 — постоянная вращения данного вещества, зависящая от длиныволны.147Опыт показывает, что при изменении направления распространения света напротивоположное поворот плоскости поляризации происходит в обратную сторону.
Этим естественное вращение отличается от эффекта Фарадея. Активную средуназывают правовращающей, если для наблюдателя, смотрящего навстречу световому лучу поворот происходит по часовой стрелке, и левовращающей в противоположном случае.Поворот плоскости поляризации объясняется тем, что в оптически активной среде волны с правой и левой круговой поляризацией имеют различные фазовые скорости, т.е.
различные показатели преломления, как и в случае эффекта Фарадея.Поэтому для угла угол поворота можно записать1ωϕ = (ϕ− − ϕ+ ) = (n− − n+ )l,(13.11)22cЗнак ϕ в (13.11) определен так, что ϕ > 0 в случае правого вращения.Направление вращения плоскости поляризации у различных веществ зависит отприроды вещества. Как правило, оптически активные вещества существуют в однойиз двух модификаций: право- или левовращающие. Но есть вещества, обладающиеобеими модификациями одновременно.
Например, кварц встречается в природе в виде право- и левовращающего. Обе модификации кристалла отличаются друг от другавнешней формой и внутренней кристаллической структурой. По симметрии они отличаются примерно как левая спираль от правой, т.е. они не могут быть совмещеныдруг с другом, но зеркальное изображение одного из них совмещается с другим.Другими словами, они обладают зеркальной симметрией.
Для оптически активных жидкостей эффект вращения обусловлен асимметричным строением строениеммолекул. Оптическая активность возникает тогда, когда в веществе преобладаютмолекулы только одной модификации.Отметим что свойством оптической активности обладают все органические молекулы живых организмов, причем они существуют в одной их двух модификаций:либо правые, либо левые. Например, все молекулы ДНК имеют свойства правойспирали.
Почему это так, объяснения о сих пор еще нет. Считается, что ответ наэтот вопрос является ключом к разгадке эволюции жизни на нашей планете.Теоретическое объяснение различия фазовых скоростей для левой и правой круговых поляризацией основано на учете структуры и конечного размера молекул.~ r, t)При этом существенно, что действующее на электроны поле световой волны E(~для каждого момента времени t в разных точках протяженной молекулы различно, т.е. необходимо учитывать пространственную неоднородность светового поля,действующего на молекулы или, другими словами, необходимо учитывать пространственную дисперсию. Влияние неоднородности поля волны на индуцированный дипольный момент молекулы с макроскопической точки зрения означает, что поляризованность среды в каждой точке зависит не только от значения поля в даннойточке, но и от значений поля в соседних точках в области молекулярных размеров.Это означает, что связь между поляризованностью и полем имеет нелокальный характер.
Таким образом, оптическая активность есть проявление пространственнойдисперсии в оптике.148ЛЕКЦИЯ №14Линейная и нелинейная оптика: нелинейно-оптические явления; спецификанелинейных явлений в оптическом диапазоне. Нелинейная поляризованностьсреды и нелинейно-оптические явления: классическая модель нелинейной среды— ансамбль нелинейных осцилляторов.Хорошо известно, что оптические свойства среды зависят от частоты излучения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
