лекции по физике Родин / ЛЕКЦИЯ №27 Искусственная оптическая анизотропия Эффект Керра

По виду изохромат можно судить о распределении внутренних напряжений в стеклянной пластинке, так как каждая изохромата (изохромата – цветная интерференционная линия) проходит через точки, в которых σ одинакова.

В 1875 г. Шотландский физик Дж. Керр обнаружил, что жидкий или твѐрдый изотропный диэлектрик, помещѐнный в достаточно сильное, однородное электрическое поле, становится оптически анизотропным. Это явление получило название эффект Керра.

Принципиальная схема наблюдения эффекта Керра проста.

Eвн

На рисунке использованы обозначения П – поляризатор; А – анализатор; Я. К. – ячейка Керра (кювета с жидкостью, куда погружены обкладки плоского конденсатора). Поляризатор П и анализатор А – скрещены.

При отсутствии электрического поля свет через систему не проходит, под действием однородного электрического поля жидкость поляризуется (в плоском конденсаторе) и приобретает свойства одноосного двоякопреломляющего кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением вектора Евн – напряжѐнности поля конденсатора.

При изменении разности потенциалов (поля Евн) меняется степень анизотропии и, следовательно, интенсивность света, прошедшего через анализатор А. На пути l, между обыкновенным и необыкновенным лучами, возникает оптическая разность хода (с учѐтом (1))

температуры, быстро уменьшаясь с еѐ увеличением.

Объясняется эффект Керра различной поляризуемостью молекул жидкости по различным направлениям, его классическая теория разработана П. Ланжевеном (1910) и М. Борном (1918). Это явление практически безинерционного (переход в анизотропное состояние ~ 10-10 с). Подавая на пластины конденсатора ячейки Керра переменное напряжение U, можно регулировать интенсивность света, проходящего через анализатор в соответствии с колебаниями U. Этот принцип был использован П. Г. Тагером в первой системе советского звукового кино для записи звука на киноплѐнке. Ячейка Керра служит идеальным затвором в быстропротекающих процессах (звукозапись, воспроизведение звука, скоростная фото- и киносъѐмка и т.д.), в оптической локации, оптической телефонии и т. д.

2

Некоторые вещества (кварц, сахар, киноварь – из твердых тел; винная кислота, скипидар, водный раствор сахара – из жидкостей), называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации вокруг направления луча. Схема установки для наблюдения схожа с установкой Керра, только без конденсатора.

Если в кювете оптически активное вещество (раствор сахара), то при повороте анализатора на некоторый угол , можно получить светлое, либо тѐмное поле зрения.

Угол и есть угол, на который оптически активное вещество поворачивает плоскость поляризации света, прошедшего через поляризатор. Т. к. поворотом анализатора получают (можно получить) тѐмное поле зрения, то свет, прошедший через оптически активное вещество является плоскополяризованным.

Опыт показывает, что для оптически активных кристаллов и чистых жидко-

где l – расстояние, пройденное светом, – удельное вращение, численно равное углу поворота плоскости поляризации света слоем оптически активного вещества единичной толщины (единичной концентрации – для растворов), С – массовая концентрация оптически активного вещества в растворе кг/м3.

Удельное вращение зависит от природы вещества, температуры и длины волны света в вакууме ( 0).

Взависимости от направления вращения плоскости поляризации оптически активные вещества разделяют на право- и левовращающие.

Если смотреть навстречу лучу, то в правовращающих веществах плоскость поляризации повернѐтся вправо (по часовой стрелке), а левовращающих – влево (против часовой стрелки). Существенно, что для одного и того же вещества это свойство не зависит от направления распространения света.

В1817 г. О. Френель высказал гипотезу, что скорость распространения света в оптически активных веществах различна для лучей, поляризованных по кругу вправо и влево. При этом для правых веществ скорость vп (правокруговой волны)

больше, чем vл (левокруговой), а для левых веществ наоборот vл > vп.

В настоящее время установлено, что все вещества, активные в аморфном состоянии (в расплаве или в растворе), активны и в кристаллическом состоянии. Существует ряд веществ, неактивных в аморфном состоянии, но вращающих плоскость поляризации в кристаллическом.

3

Таким образом, оптическая активность определяется как строением (асимметрией) молекул, так и расположением их в кристаллической решѐтке.

Оптически неактивные вещества могут приобретать способность вращать плоскость поляризации при прохождении света через вещество, помещенное в магнитное поле.

Это явление называется эффектом Фарадея или магнитным вращением плоскости поляризации света.

Угол поворота плоскости поляризации пропорционален пути l, проходимому светом в веществе, и намагниченности вещества. Намагниченность пропор-

циональна напряжѐнности магнитного поля H ( j H ). Поэтому записывают

VlH ,

где V коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Верде, или удельным магнитным вращением. Значение V зависит от природы вещества, длины волны света 0.

Направление вращения определяется направлением магнитного поля. От направления луча знак вращения не зависит. В этом отношении эффект Фарадея отличается от вращения плоскости поляризации света в естественных оптически активных средах. (Направление магнитного вращения плоскости поляризации для

наблюдателя, смотрящего вдоль магнитного поля, одинаково при распростране-

нии света, как по направленного вектора H , так и в обратную сторону). 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.

Малая инерционность эффекта (время установления ~10-9 с) позволяет использовать его для модуляции света, для создания оптических затворов т.п.

Если молекулы среды обладают магнитными моментами, то в постоянном магнитном поле возникает их преимущественная ориентация и, как следствие, двойное лучепреломление – эффект Коттона-Мутона.

волны и температуры.

4