Наведенная анизотропия

Экспериментально обнаружено, что оптически изотропные вещества (газы, жидкости, пластмассы, стекла) могут стать анизотропными, если они подвергаются механическим напряжениям (Брюстер, 1816г.), помещаются в электрическое (Керр, 1875г.) или магнитное (Коттон и Мутон, 1905 г.) поля. Во всех этих случаях вещество приобретает свойства одноосного кристалла с определенной ориентацией оптической оси.

Изотропный в обычных условиях плексиглас становится анизотропным, при действии механического напряжения. Так, если в схеме наблюдения интерференции поляризованных лучей (рис.1.20) заменить анизотропный кристалл прозрачным плексигласовым кубиком, зажатым в тиски, то можно наблюдать на экране интерференционную картину, связанную с появлением внутренних анизотропных напряжений в плексигласе. Сжимая тиски, можно наблюдать увеличение контраста картины, сдвиг и деформацию интерференционных полос на экране. Подобные наблюдения используются для моделирования и исследования внутренних напряжений и деформаций в различных материалах и конструкциях, например, в крюках, валках прокатных станов и т. п.

Некоторые газы, жидкости, стекла приобретают анизотропию под действием внешнего электрического поля. Эффект Керра заключается в возникновении двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах (газах, жидкостях, стеклах) под действием внешнего однородного электрического поля. На рис.1.21 показана ячейка Керра, состоящая из кюветы, стенки которой пропускают свет, и конденсатора, создающего электрическое поле. Кювета наполнена жидкостью (обычно нитробензолом).

До и после ячейки Керра ставятся скрещенные поляризатор и анализатор. Плоскость колебаний падающего на ячейку поляризованного света составляет угол 45^о с направлением поля в конденсаторе. В отсутствие поля свет не проходит через анализатор. Но при подаче напряжения на пластины конденсатора на экране появляется свет. Это говорит о том, что среда становится анизотропной, в ней возникают два луча (обыкновенный и необыкновенный). Различие показателей преломления n _о и n _е приводит к различным скоростям двух волн в пучке, поляризованных вдоль и поперек поля. На выходе из среды волны имеют разность фаз, складываются и образуют эллиптически поляризованный свет, который частично проходит через анализатор. Вводя компенсатор перед анализатором, можно измерить разность фаз. Оказывается, что разность фаз пропорциональна квадрату напряженности электрического поля:

где l – длина кюветы, – напряженность электрического поля, В – постоянная Керра. Постоянная Керра может быть положительной и отрицательной в зависимости от агрегатного состояния среды, температуры и структуры молекул.

Количественная теория эффекта Керра была дана П. Ланжевеном для неполярных молекул и позже обобщена М. Борном для полярных (дипольных) молекул. В общих чертах механизм возникновения анизотропии объясняется следующим образом. Хаотическое расположение молекул обусловливает макроскопическую изотропию среды в отсутствие поля. Внешнее поле индуцирует в молекуле дипольный момент, пропорциональный полю. Возникающий момент сил стремится развернуть молекулу так, чтобы максимальное направление поляризуемости совпало с направлением поля. Такой ориентационный механизм образования анизотропии применим к газам и в меньшей степени к жидкостям, где большую роль начинают играть межмолекулярные взаимодействия. Еще сложнее процесс протекает в твердых телах, где ориентационные степени свободы молекул как бы «заморожены». Фактически это уже нелинейные эффекты взаимодействия поля с веществом. Строгое теоретическое рассмотрение эффекта Керра может быть проведено лишь в рамках квантовой механики.

Очень важной особенностью является чрезвычайно малая инерционность эффекта Керра. Время релаксации составляет от 10^-11 до 10^-12 с. Это нашло широкое применение при создании быстродействующих оптических затворов и модуляторов света, необходимых для лазерной техники и скоростной фотографии, звукозаписи, киносъемки. Оптические затворы – это устройства для управления световым потоком: временного перекрытия и последующего пропускания в течение определенного промежутка времени. Например, в механических оптических затворах перекрывание светового пучка осуществляется механическим перемещением шторок, зеркал, призм и т. п. Скорость переключения таких затворов определяется инерцией подвижных элементов и составляет обычно не менее 10^-4 с. В оптическом затворе, работающем на основе эффекта Керра, для управления затвором можно, например, вместо электрического импульса использовать мощные поляризованные световые импульсы, оптически наводящие двулучепреломление. Скорость переключения таких затворов очень высока (до 10^-13 с).

Если действовать на ячейку Керра вместо постоянного напряжения переменным полем определенной частоты, то световой поток на выходе прибора будет промодулирован по интенсивности с той же частотой. На этом основано применение ячейки Керра в качестве электрооптического модулятора. Оптические модуляторы – это устройства для управления параметрами световых потоков: амплитудой, частотой, фазой, поляризацией. Ячейка Керра применяется также в лазерах в качестве «затвора» для получения мощных световых импульсов.

Поиск по сайту: