Искусственное двойное лучепреломление

Оптическая анизотропия в изотропных телах, также в кристаллах кубической системы, может быть вызвана искусственно с помощью различных внешних воздействий. Это можно вызвать методом механической деформации, например, сжатия или растяжения. Если подвергнуть кусок стекла однстороннему сжатию, то стекло в направлении сжатия сожмется, а в поперечном направлении расширится. Благодаря такой деформации, стекло получит свойство анизотропного кристалла, изменит поляризацию проходящего света. Опыт показывает, что разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей пропорциональна напряжению :

. (28)

Этим методом можно обнаружить остаточные деформации в стеклянных изделиях. Широко используется исследование напряжений на прозрачных моделях. Изготавливается модель детали из прозрачного материала и подвергается таким же деформациям, которые испытывала бы она в процессе эксплуатации. Тогда станет ясно, какие места детали следует упрочить.

Оптическую анизотропию в диэлектрике можно вызвать, действуя на него электрическим полем. Это явление открыто Керром (1875) и называется эффектом Керра. На рис.36 изображена схема установки для наблюдения эффекта Керра.

Рис.36

Установка состоит из ячейки Керра, помещенного между скрещенными поляризаторами Р и А. Ячейка Керра – герметичный сосуд с жидкостью между обкладками плоского конденсатора. При подаче напряжения к обкладкам конденсатора в жидкости происходит ориентационная поляризация с оптической осью вдоль поля. Разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей пропорциональна квадрату напряженности поля Е.

.

Разность хода этих лучей равна

.

Разность фаз равна

.

Последнее выражение обычно пишут в виде

, (29)

где В – постоянная Керра, характерная для вещества. Напряженность поля в последнем выражении стоит в квадрате, поэтому разность фаз лучей не зависит от направления электрического поля. В качестве рабочей жидкости в ячейке Керра используется высокополярная жидкость – нитробензол. При включении и выключении поля поляризация жидкости возникает или исчезает за время порядка 10^-10 с. Поэтому ячейка Керра широко используется в качестве безынерционного прерывателя световых лучей при изучении быстропротекающих процессов. Например, эффект Керра использовался для измерения скорости света в лабораторных условиях.

Вращение плоскости поляризации

При прохождении плоско-поляризованного света через некоторые вещества наблюдается вращение плоскости поляризации. Вещества, способные вращать плоскость поляризации называются оптически активными. Из кристаллических веществ к ним относятся кварц, киноварь, из жидкостей – скипидар, никотин и растворы оптически активных веществ в оптически неактивных растворителях, например, раствор сахара, винной кислоты и т. д.

Это явление, в основном, обусловлено наличием асимметрии в строении молекул вещества и угол поворота прямо пропорционально концентрации молекул такого вещества.

В некоторых кристаллах, например, в кварце оптическая активность обусловлена особенностями строения самого кристалла, а не строением представляющих его молекул. На рис.37 изображены два кристаллика

Рис.37

кварца, одинаковые по своей кристаллической структуре и огранению, но асимметричные, являющиеся зеркально противоположными друг другу. Пластинки, вырезанные из таких кристаллов, будут вращать плоскость поляризации одна по часовой стрелке, другая против часовой стрелки. В зависимости от направления вращения плоскости поляризации вещества делятся на правовращающие и левовращающие. Направление вращения относительно самого луча не зависит от направления луча в активной среде. Поэтому, если луч, прошедший через активное вещество отразить зеркалом и заставить вновь пройти через вещество, то восстановится первоначальное положение плоскости поляризации.

Кристаллические вещества вращают плоскость поляризации на больший угол, когда свет проходит вдоль оптической оси В чистых веществах угол поворота плоскости поляризации пропорционален длине пути, пройденному по веществу

, (30)

где - постоянный для данного вещества коэффициент, называемый постоянной вращения или удельным вращением (выражается в градусах на миллиметр), зависящий также от длины световой волны.

В растворах угол вращения плоскости поляризации линейно зависит также от концентрации растворенного вещества с:

. (31)

Плоско-поляризованный свет можно представить как суперпозицию двух поляризованных по кругу волн, левой ₁ и правой ₂, с одинаковыми частотами и амплитудами (рис.38а.).

Рис.38

Для объяснения вращения плоскости поляризации Френель предположил, что в оптически активных веществах лучи поляризованные по кругу вправо и влево вращаются с различной скоростью (рис.38б). При прохождении одинакового пути в веществе, с разной скоростью световые векторы этих волн, вращающиеся в противоположных направлениях, будут повернуты на разные углы. При сложении этих векторов ₁ и ₂ вектор результирующей волны будет повернут относительно его первоначальной ориентации (рис.38в) в сторону вектора, вращающегося с большей скоростью.

На основе вращения плоскости поляризации построен прибор для измерения концентрации сахара в растворе (сахариметр).