1612045808-897604033167dc1177d2605a042c8fec (533738), страница 47
Текст из файла (страница 47)
На какой угол 6 будут разведеиы выходящие из призмы лучи, поляризовавиые в ортогоиальиых иаправлеиияхз О т в е т: Н 2(пе — п,)1яа=6'17'. () 4.$. Мскусстааииаи ногие оптически изотропные тела сомхмзхгтроимгь ЭгрФага "ирна 'твстоят из анизотропных модекул или других структурных элементов, хаотически ориентированных в пространстве. Микроскопическая анизотропия сглаживается лишь статистически. В результате какого-либо внешнего воздействия (механической деформации, электрического или магнитного поля), создающего физически выделенное направление в пространстве, такая среда может стать и макроскопически анизотропной. При достаточно сильном воздействии даже первоначально изотропные структурные элементы могут стать анизотропными; например, кубический кристалл каменной соли ХаС! при одностороннем сжатии становится оптически анизотропным.
Двойное лучепреломление при механической деформации (фогоупругость) было открыто Брюстером в (8(5 г. При одностороннем растяжении или сжатии направление деформации становится выделенным и играет роль оптической оси. Для наблюдения оптической анизотропии исследуемое тело помешают между скрещенными или параллельными поляризаторами, направления пропускания которых составляют некоторый угол (лучше всего 45 ) с направлением деформации.
Распространяюшиеся перпендикулярно оптической осн обыкновенный и необыкновенный лучи приобретают некоторую разность фаз, и свет, прошедший через деформированное тело, становится эллиптически поляризованным. Опыт показывает, что измеряемая в таких опытах разность н,— п„которую можно рассматривать как меру возникшей анизотропии, пропорциональна механиче- % 6~ л !фй(кому напряжению. приложенному к деформируемому телу. В слу;"""'чае неоднородно деформированного тела таким методом можно получить картину распределения напряжений. Этим пользуются для исследования напряжений в сложных деталях и промышленных конструкциях: модель из подходяшего прозрачного материала подвергают требуемой нагрузке и по наблюдаемой между скрещенными поляроидами картине с помощью числовых расчетов определяют внутренние напряжения. Этот метод значительно облегчает трудоемкую работу по расчету новых конструкций.
Оптический метод применяется также для исследования остаточных механических напряжений в оптическом стекле, возникающих при недостаточно медленном охлаждении после термической обработки. Разность п,— и, зависит от длины волны (дисперсия искусственного двойного лучепреломления), и при наблюдении в белом свете картина неоднородно деформированного тела между скрещенными поляроидами оказывается разноцветной.
Искусственная анизотропия в жидкостях с сильно анизотропными элементами (например, в растворах полимеров) может возникнуть под влиянием даже очень слабых внешних динамических воздействий. Измерение двойного лучепреломления в ламинарном потоке между неподвижным и вращающимся коаксиальными цилиндрами, обусловленного ориентацией анизотропных молекул, используется для изучения свойств полимеров. В озникновение оптической анизотро- пии во внешнем электрическом поле было обнаружено Керром в !875 г. Явление Керра можно наблюдать в жидкостях и газах, где условия для теоретической интерпретации несравненно проще, чем в твердых телах.
Благодаря этому обстоятельству теория эффекта Керра разработана значительно глубже, чем рассмотренного выше явления аннзотропии при механических деформациях, трактовка которого требует исследования действия на молекулы среды межмолекулярных электрических полей, имеющих сложную структуру, в отличие от однородно~о внешнего поля в эффекте Керра. Большое научное значение эффекта Керра связано с тем, что он позволяет глубже проникнуть в природу анизотропии вообше и, кроме того, получить информацию о строении молекул. Вместе с тем явление Керра имеет чрезвычайно важное прикладное значение в научных исследова- + ииях и в технике, обусловленное его способностью протекать практически безынерционно.
Быстродействие керровских модуляторов света и оптических затворов может быть доведено до )О '" с. Схема наблюдения эф- двойиое лучепреломлеиие в электрическом поле фекта Керра приведена на рис. 4.!5. Заполненный исследуемым веществом конденсатор помещают между скрещенными поляризаторами Р~ и Рл так что при отсугствии электрического поля свет через систему не проходит. При наложении электрического поля (направление Е которого составляет угол 45' с направлениями пропускания поляризаторов) среда становится оптически анизотропной; выходящий из конденсатора свет поляризован эллиптически и частично проходит через анализатор Р,. Вводя компенсатор К, можно измерить разность фаз, возникшую между обыкновенным и необыкновенным лучами, и тем самым найти разность показателей преломления л„— л, исследуемого вещества в электрическом поле. Опыт показывает, что эта разность пропорциональна квадрату напряженности внешнего электрического поля: л, — л = КЕ .
Такой характер зависимости от напряженности поля объясняется тем, что для изотропной (при отсутствии поля) среды величина л, — л, не может зависеть от направления Е, поэтому разложение л, — л, в ряд по степеням напряженности поля должно начинаться с квадратичного члена. В слабых полях, какие применяются на опыте, в разложении достаточно ограничиться только этим членом. Для разности фаз, приобретаемой лучами на пути 1, можно написать ср=(2л1/Х) (л, — л,) = 2лВ1Еэ, где В=К/Х вЂ” настоянная Керра, характеризующая исследуемое вещество. Ее значения для разных веществ изменяются в широких пределах. Большим значением В обладает нитробензол, поэтому он часто используется в технических приложениях эффекта Керра. Если, например, конденсатор имеет длину 1= — 5 см и расстояние между пластинами 0=1 мм, то при напряжении !500 В разность фаз достигает значения г~=л/2, т.
е. ячейка Керра в таких условиях действует как пластинка в четверть волны. У других жидкостей и особенно у газов постоянная Керра значительно меньше, что требует использования высоких напряжений и чувствительных методов измерения разности фаз. Для большинства веществ постоянная Керра положительна, т. е. и,- п„что соответствует анизотропии положительного одиоосиого кристалла Реже встречаются вещества.
у которых В~О (этиловый эфир, спирт). И ричина оптической анизотропии вещества в электрическом поле заключается в анизотропии самих молекул. Количественная теория для газов была развита Ланжевеном в 1910 г. Поляризуемость анизотропной молекулы и, следовательно, ее вклад в показатель преломления среды зависят от ориентации молекулы относительно направления напряженности электрического поля световой волны. При отсутствии внешнего электрического поля анизотропные молекулы ориентированы хаотически, так что среда макроскопически оказы- ."" идется изотропной. Во внешнем электрическом поле молекулы преимущественно ориентируются своими осями наибольшей поляризуемости вдоль поля* и среда становится оптически анизотропной: световой волне с направлением колебаний вдоль внешнего поля (необыкновенной) соответствует большее значение показателя преломления, чем волне, поляризованной в поперечном направлении (л,)л,).
Величины п, и и„ можно, используя статистическую механику, выразить через главные значения поляризуемости отдельной молекулы. Теория Ланжевена всегда дает л,)п,, т. е. В~О, хотя на опыте для некоторых веществ получается В(0. Борн в 1916 г. обобгцил теорию Ланжевена, распространив ее на полярные молекулы, обладающие собственным дипольным моментом, направление которого может не совпадать с направлением наибольшей поляризусмости.
Если зти направления взаимно перпендикулярны, то оси наибольшей поляризуемости молекул преимущественно ориентируются перпендикулярно внешнему полю и оптическая анизотропия среды соответствует отрицательному кристаллу (л )л ). д войное лучепреломление в изотропной среде может возникнуть не только в постоянном внешнем электрическом поле, но и в переменном с частотами вплоть до оптических. Благодаря развитию лазерной техники появилась возможность получать оптическое излучение, в котором напряженность электрического поля достигает очень больших значений.
Схема опыта по наблюдению эффекта Керра, вызванного электрическим полем лазерного излучения, показана на рис. 4.16. Луч зондирующего света () =500 нм) проходит через ячейку К с исследуемой жидкостью и после отражения от полупрозрачной пластинки 5 направляется на фотоумножитель (ФЭУ) . Прг1 скрещенных поляризаторах Р, и Р,, свет не может попасть в ФЭУ. Когда через ячейку проходит мощный импульс инфракрасного поляризованного излучения лазера Е, жидкость становится анизотропной, зондирующий свет выходит из ячейки эллиптически поляризованным и попадает в ФЭУ. Измеряя разность фаз г(~ между необыкновенным и обыкновенным лучами и зная среднеквадратичную напряженность поля лазерного излучения ((Е'))ы', можно найти значение постоянной Керра в поле оптической частоты и сравнить его со значением в постоянном электрическом поле.
В недипольных жидкостях эти значения практически совпадают. Однако в жидкостях с дипольными молекулами постоянная Керра уменьшается при переходе к оптическим частотам (у нитробензола приблизительно в 100 раз), так как дипольная молекула не успевает переориентироваться в такт с изменениями напряженности внешнего поля. Индуцируемнй внешним ячлем хипольный момент виизотрочной моЛекулы не совпадает с направлением наяряжениости поля Поти>му и возникает момент сил, котОрый стремится ловернуть молекулу осью вдоль поля. 197 Двойное лучепреломление в электрическом поле лазерною излучения В высокочастотных полях постоянные дипольные моменты молекул не играют роли в возникновении анизотропии..
В отличие от вектора днпольного момента, имеющего определенное направление, оба направления оси наибольшей поляризуемости молекулы эквивалентны и направление действующего на молекулу момента снл не меняется при переключении направлении внешнего поля на противоположное. Поэтому ориентация молекул в высокочастотных поляк обусловлена только индуцированнымн дипольными моментами, как зто предполагается в теории Ланжевена. ~ольшое прикладное значение эффекта Керра обусловлено его малой инерционностью. Для измерения времени установления в эффекте Керра используют мощные и короткие (до !О гз с) импульсы инфракрасного лазера.
Схема опыта показана на рис. 4.17. Импульс инфракрасного света (д= 1,06 мкм) проходит через кристалл дигидрофосфата калия (К(лР), где из-за нелинейного эффекта удвоения частоты (см. $10.3) небольшая часть инфракрасного света превращается в зеленый (Л=0,53 мкм). Зеркало 51 пропускает инфракрасный свет и отражает зеленый, зеркало 5э, наоборот, пропускает зеленый и отражает инфракрасный. Пройдя по разным путям, зеленый и инфракрасный лучи затем снова соединяются и проходят через ячейку Керра, помещенную между скрещенными поляризаторами Р~ и Рз. Фильтр Р задерживает инфракрасный свет и пропускает в ФЭУ только зеленый. С помощью стеклянных пластинок Т разной толщины можно задержать импульс зеленого света относительно инфракрасного на разные промежутки времени т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
