4.4. Искусственная оптическая анизотропия

Двойное лучепреломление имеет место в естественных анизотропных средах. Существуют различ­ные способы получения искусственной оп­тической анизотропии, т.е. сообщения оп­тической анизотропии естественно изо­тропным веществам.

Оптически изотропные вещества ста­новятся оптически анизотропными под действием: 1) одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической систе­мы, стекла и др.); 2) электрического поля — эффект Керра⁵ (жидкости, аморфные те­ла, газы); 3) магнитного поля — эффект Коттона-Мутона (жидкости, стекла, коллоиды).

Мерой возникающей оптической ани­зотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкно­венного лучей в направлении, перпендику­лярном оптической оси:

— (в случае механических деформа­циях тел);

— (в случае электрического поля);

— (в случае магнитного поля),

где k₁, k₂, k₃ — постоянные, зависящие от температуры, длины волны света и природы вещества; Е и Н — соответственно напряженность электрического и магнит­ного полей;  — нормальное напряже­ние (сила, приходящаяся на единицу площа­ди).

Еще в начале прошлого столетия Т. Зеебек и Д. Брюстер обнаружили, что оптически изотропное твердое тело под влиянием механической деформации становится оптически анизотропным. Это свойство легло в основу ме­тода исследования напряжений на моделях.

Обычное стек­ло аморфно и изотропно. Если подвергнуть стекло одностороннему напряжению (рис. 4-9), то в направлении действия сил F стекло С сожмется, а в перпендикулярном — расширится. Разность показателей преломления (n₀ — n_e) обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси, пропорциональна нормальному напряжению . Благодаря такой анизотропии деформации стекло станет опти­чески анизотропным и в деформированных участках получает свойства двоякопреломляющего кристалла и будет изменять поляризацию проходящего через него света, например превращая линейно поляризованный луч в поляризованный по кругу или по эллипсу.

Если стекло не деформированно, то при скрещенных поляризаторе П и анализаторе А на экране Э будет полная темнота. При деформации стекла лучи, идущие от поляризатора, проходя деформированные участки, изменят свою поляризацию и не будут полностью гаситься анализатором. На экране Э появятся в соответствующих местах цветные полосы, интенсивность и окраска которых характеризуют степень деформи­рованности отдельных участков. Каждая полоса соответствует одинаково деформи­рованным местам пластинки. Следовательно, по харак­теру расположения полос можно судить о распределении напряжений внутри пластинки.

Т аким образом, искусственная анизотропия под дей­ствием механических воздействий позволя­ет исследовать напряжения, возникающие в прозрачных телах, например, остаточных деформаций в стекле при закалке. Так как применяе­мые обычно в технике материалы (метал­лы) непрозрачны, то исследование на­пряжений производят на прозрачных моделях. Модель подвергается дей­ствию нагрузок, пропорциональными тем, какие будет испыты­вать изделие в реальных условиях. Возникающие в модели деформации делают соответствующие участки анизотроп­ными. Просвечивая модель поляризованным светом, например по схеме, изображенной на рис. 4-9, можно определить деформа­ции и напряжения в модели, а затем делают соответствующий пересчет на проектируемую реальную конструкцию.

Как уже отмечалось, оптическую анизотропию диэлектрика можно создать, воз­действуя на него наложением электрических и магнитных полей. Магнитное поле дает весьма слабый эффект; поэтому подробнее остановимся на дей­ствии электрического поля, на так называемом эффекте Керра.

В 1875 г. Дж. Керр обнаружил, что жидкий или твердый изотроп­ный диэлектрик, помещенный в сильное однородное элект­рическое поле, становится оптически анизотропным. В 1930г. эффект Керра был обнаружен также и в газах. Поляризуемость (ориентационная способность молекулярных диполей) в направлении параллельном оптической оси кристалла становится несколь­ко отличной от поляризуемости в перпендикулярном направлении. В оптическом отношении такой диэлектрик ведет себя как одноосный кристалл (дает двойное лучепреломление) незави­симо от того, является он твердым, жидким или газообразным. По­явление двойного лучепреломления объясняется ориентацией моле­кул в электрическом поле и созданием структуры, подобную кристаллической: молекулы поворачиваются по полю так же, как стрелка компаса в магнитном поле Земли. Чем большей анизотро­пией обладают молекулы, тем сильнее эффект.

С хема наблюдения эффекта Керра изображена на рис. 4-10. Между скрещенными николями П и А помещают ячейку Керра С - сосуд с любой непроводящей жидкостью. К металлическим пластинам (обкладки плоского конденсатора), погружен­ными в жидкость, прикладывается большая разность потенциалов под действием которой жидкость становится двупреломляющей.

Это явление практиче­ски безынерционно, т. е. переход вещества из изотропного состояния в анизотропное при включении поля (и обратно) примерно 10^-9 с. Поэтому ячейка Керра – это идеальный световой затвор и применяется в быстропротекающих процессах (звукозапись, воспроиз­водство звука, скоростная фото- и кино­съемка, измерение скорости распростране­ния света в лабораторных условиях и т.д.), в оптической локации, в оптической телефонии. На применении ячей­ки Керра была основана первая советская система звукового кино П. Г. Тагера («тагефон»). Напряжение на ячейке Керра модулиро­валось со звуковой частотой.