Искусственное двойное лучепреломление. Вращение плоскости поляризации

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИСКУССТВЕННОЕ ДВОЙНОЕ ЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЕ. ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Вопросы:

1. Искусственное двойное лучепреломление

2. Вращение плоскости поляризации

1. Искусственное двойное лучепреломление

В прозрачных аморфных телах - естественных анизотропных средах, а также в кристаллах кубической системы может возникать двойное лучепреломление под влиянием внешних воздействий: механических деформациях тел, электрического поля (эффект Керра), магнитного поля (явление Коттон-Мутона). Под действием указанных воздействий анизотропное вещество приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением деформации, напряженности электрического или магнитного полей соответственно. Возникающая при этом оптическая анизотропия характеризуется разностью показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении перпендикулярном оптической оси. Опыт показывает, что эта разность пропорциональна механическому напряжению в данной точке тела:

n0 - ne = k1 , (1)

где k1 - коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества.

Для наблюдения эффекта поместим стеклянную, пластинку Q между скрещенными поляризаторами Р1 и Р2. (рис.1). Пока стекло не

P₁ Q P₂

F

Рис.1.

деформировано, такая система света не пропускает. При сжатии пластинки, свет через систему начнет проходить, причем интенсивность прошедшего света зависит от разности n0 - ne, а значит, и от . Наблюдаемая в прошедших лучах интерференционная картина, возникающая при наложении обыкновенного и необыкновенного лучей, оказывается испещренной цветными полосами. Каждая такая полоса соответствует одинаково деформированным местам пластинки, одинаковым . Следовательно, по расположению полос можно судить о распределении напряжений внутри пластинки. На этом основан метод исследования напряжений: изготовленная из прозрачного изотропного материала модель какой-либо детали или конструкции помещается между скрещенными поляризаторами и подвергается действию нагрузок, подобных тем, какие будут испытывать реальная деталь или конструкция. Анализ интерференционной картины позволяет определить распределение напряжений и судить об их величине.

Возникающее под воздействием электрического поля двойное лучепреломление в жидкостях и в аморфных твердых телах было обнаружено английским физиком Д. Керром в 1875г. и получило название эффекта Керра. В 1930г. эффект Керра был обнаружен и в газах.

На рис.2 представлена схема установки для исследования эффекта Керра в жидкостях. Установка состоит из ячейки Керра - герметичного сосуда с жидкостью, в которую введены пластины конденсатора, помещенной между скрещенными поляризаторами Р и Р'. При подаче на пластины напряжения между ними возникает практически однородное электрическое поле, а жидкость приобретает свойства одноосного кристалла с оптической осью, ориентированной параллельно вектору напряженности Е.

Возникающая разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей

n0 - ne = k2 E2 , (2)

где k2 - коэффициент, характеризующий вещество.

На пути l, равном длине пластин, между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает оптическая разность хода

= (n0 - ne )l = k2 lE2

или разность фаз

= (0)2 = 2k2 lE2/0. (3)

Это выражение принято записывать в виде

= 2Вl Е2, (4)

где В = к2 /л0 -характерная для вещества величина, называется постоянной Керра.

Из известных жидкостей наибольшей постоянной Керра обладает нитробензол. Постоянная Керра В зависит от температуры вещества Т и длины волны оптического излучения .

Эффект Керра объясняется различной поляризуемостью молекул по разным направлениям. В отсутствии электрического поля молекулы ориентированы хаотическим образом, поэтому жидкость не обнаруживает анизотропии. Под действием поля молекулы, обладающие дипольным моментом (полярные молекулы), приобретают преимущественную ориентацию по полю, а неполярные молекулы - в направлении наибольшей поляризуемости. В результате жидкость становится оптически анизотропной. Ориентирующему действию поля препятствует тепловое движение молекул, поэтому постоянная Керра уменьшается с повышением температуры Т.

Время, в течение которого устанавливается при включении электрического поля и исчезает при выключении его оптическая анизотропия, составляет около 10-10 с. Поэтому ячейка Керра, помещенная между скрещенными поляризаторами, может служить практически безынерционным световым затвором и применяется в лазерной технике для управления режимом работы лазеров, для исследования быстро протекающих оптических процессов. Модуляция света с помощью ячейки Керра достигает частоты до 109 Гц.

Аналогом эффекта Керра является эффект Коттона-Мутона - оптическая анизотропия, возникающая под действием магнитного поля. Если молекулы вещества анизотропны и обладают магнитными моментами, то они могут преимущественно ориентироваться в постоянном магнитном поле, что приводит к возникновению анизотропии и связанному с ней двойному лучепреломлению. Вещество в этом случае подобно одноосному кристаллу с оптической осью, параллельной вектору индукции магнитного поля В. Схема установки по наблюдению двойного лучепреломления в эффекте Коттона-Мутона подобна, как и для эффекта Керра. Разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей описывается соотношением

n0 - ne = k3 В2, (5)

где k3 - коэффициент, характеризующий вещество.

Возникновение оптической анизотропии возможно и при воздействии на вещество мощного лазерного поляризованного излучения. Электрическое поле световой волны поляризует атомы или молекулы вещества, вызывая тем самым его оптическую анизотропию.

2. Вращение плоскости поляризации

Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через них плоско поляризованного света. К числу таких веществ относятся некоторые кристаллические тела (например, кварц, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин, винная кислота) и растворы оптически активных веществ в неактивных растворителях (водные растворы сахара, винной кислоты и др.).

Кристаллические вещества сильнее вращают плоскость поляризации, если свет распространяется вдоль оптической оси кристалла. Угол поворота плоскости поляризации для оптически активных кристаллов и чистых жидкостей пропорционален пути l, пройденному лучом в активном веществе:

= l (6)

Коэффициент называется постоянной вращения. Эта постоянная зависит от длины волны света (дисперсия вращательной способности).

Для оптически активных растворов угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути света в растворе и концентрации активного вещества С:

= С l, (7)

где - удельная постоянная вращения.

Оптически активные вещества в зависимости от направления вращения плоскости поляризации подразделяются на право- и левовращающие. Правовращающие вещества вращают плоскость поляризации по часовой стрелке, если наблюдатель смотрит навстречу лучу, левовращающие - против часовой стрелки. Все оптически активные вещества существуют в двух разновидностях - правовращающей и левовращающей. Существует право- и левовращающий кварц, право- и левовращающий сахар и т.д. Молекулы или кристаллы одной разновидности являются зеркальным отражением молекул или кристаллов другой разновидности.

а) б)

Рис.3.(Савельев)

Буквами обозначены отличающиеся друг от друга атомы или группы атомов (радикалы). Молекула б является зеркальным отражением молекулы а.

Наблюдают вращение плоскости поляризации следующим образом. Если между двумя скрещенными поляризаторами, дающими темное поле зрения, поместить оптически активное вещество (кристалл кварца, прозрачную кювету с раствором сахара и т.п.), то поле зрения просветляется. Чтобы снова получить темноту, нужно повернуть один из поляризаторов на угол , определяемый выражением (6) или (7), и можно определить концентрацию раствора С. Такой способ применяется для определения концентрации различных веществ с помощью приборов, которые называются поляриметрами. Поляриметры, используемые для определения сахара в растворе, называются сахариметрами.

Вращение плоскости поляризации объяснил Френель. Согласно Френелю явление вращения плоскости поляризации сводится к особому типу двойного лучепреломления. Причиной вращения является различие скоростей распространения в оптически активных веществах для левого и правого циркулярно поляризованного света.

Магнитное вращение плоскости поляризации. Оптически неактивные вещества приобретают способность вращать плоскость поляризации под действием магнитного поля. Это явление было обнаружено Фарадеем и называется иногда эффектом Фарадея. Оно наблюдается только при распространении света вдоль направления намагниченности. Поэтому для наблюдения эф. Фарадея в полюсных наконечниках просверливают отверстия, через которые пропускают световой луч. Исследуемое вещество помещается между полюсами магнита.

Угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути l, проходимому светом в веществе, и намагниченности вещества. Намагниченность в свою очередь пропорциональна напряженности магнитного поля Н. Поэтому

= VlH. (8)

лучепреломление плоскость поляризация

Коэффициент V называется постоянной Верде или удельным магнитным вращением. Постоянная V, как и постоянная вращения , зависит от природы вещества, длины волны света и для большинства веществ практически не зависит от температуры.

Направление вращения плоскости поляризации определяется направлением магнитного поля. От направления светового луча знак вращения плоскости поляризации не зависит. Поэтому, если отразить луч зеркалом и заставить его пройти через намагниченное вещество ещё раз в обратном направлении, то поворот плоскости поляризации удвоится.

Магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено возникающей под действием магнитного поля прецессией электронных орбит.

Оптически активные вещества под действием магнитного поля приобретают дополнительную способность вращать плоскость поляризации, которая складывается с их естественной способностью.

Размещено на Allbest.ru