1. Фотоупругость

Входы: сила.

Выходы: оптическая анизотропия.

Иллюстрация:

Рис. 2.65. Фотоупругость.

Сущность:

Фотоупругостью, или пьезооптическим эффектом, называется возникновение оптической анизотропии в первоначально изотропных твердых телах под действием механических напряжений. Фотоупругость - следствие зависимости диэлектрической проницаемости вещества от деформации и проявляется в виде двойного лучепреломления и дихроизма, возникающих под действием механических нагрузок. При одноосном растяжении или сжатии изотропное тело приобретает свойства оптически одноосного кристалла с оптической осью, параллельной оси растяжения или сжатия. При более сложных деформациях, например при двухстороннем растяжении, образец становится оптически двухосным.

Математическое описание:

Фотоупругость обусловлена деформацией электронных оболочек атомов и молекул и ориентацией оптически анизотропных молекул либо их частей, а в полимерах - раскручиванием и ориентацией полимерных цепей. Для малых одноосных растяжений и сжатий выполняется соотношение Брюстера:

Dn = kP,

где:

Dn - величина двойного лучепреломления (разность показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн);

P - напряжение;

k - упругооптическая постоянная (постоянная Брюстера).

Для стекол k = 10-12 - 10-11 м2/Н.

Применение:

Эффект фотоупругости - один из самых тонких методов изучения структуры и внутренних напряжений в твердых телах.

А.с. 249025: Способ оценки распределения контактного напряжения по величине деформации частичной прокладки, располагаемой в зоне контакта между соприкасающимися поверхностями, отличается тем, что, с целью повышения точности, в качестве пластичной прокладки используют пленку из оптически чувствительного материала, которую затем просвечивают поляризованным светом в направлении действия контактных сил и по картине полос судят о распределении контактных напряжений.

2. Электрооптический эффект Керра.

Входы: электрическое поле.

Выходы: световой поток.

Графическая иллюстрация:

Рис.2.66. Ячейка Керра

Сущность:

Электрооптический эффект Кeppa – возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах, например жидкостях и газах, под воздействием однородного электрического поля. В результате эффекта Керра газ или жидкость в электрическом поле приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого направлена вдоль поля. Многие жидкие диэлектрики становятся анизотропными под действием электрического поля. Для наблюдения эффекта Керра монохроматический свет пропускают через поляризатор N1 (например, призму Николя) и направляют в плоский конденсатор, заполненный изотропным веществом ячейка Керра, (рис.2.66). Поляризатор преобразует естественно поляризованный свет в линейно поляризованный. Если к обкладкам конденсатора не приложено напряжение, то поляризация света, проходящего через вещество, не изменяется и свет полностью гасится второй призмой Николя N2 (анализатором), повёрнутой на 90° по отношению к первой. Если к обкладкам приложено напряжение, то линейно поляризованная световая волна в веществе распадается на две волны, поляризованные вдоль поля Ен (необыкновенная волна) и под прямым углом к полю Е0 (обыкновенная волна), которые распространяются с разными скоростями. Из–за разной скорости распространения волн фазы колебаний электрического вектора у необыкновенной волны Ен и обыкновенной Е0 волн по выходе из ячейки не совпадают, в результате чего результирующая световая волна оказывается эллиптически поляризованной и частично проходит через анализатор. Если между ячейкой Керра и анализатором N2 поставить компенсатор К, преобразующий эллиптически поляризованный свет в линейно поляризованный, то поворотом компенсатора можно снова добиться полного гашения света анализатором.

Математическое описание:

Для монохроматического света данной длины волны λ разность показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей (n0 и ne) пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Е:

n0 - ne = χE² .

Следовательно, разность хода, приобретаемая лучами на пути l, равна

δ = l (ne - n0) = χ / E² ,где

χ – константа.

Угол сдвига фаз на выходе вещества:

φ = 2 πδ / λ = = 2 π В /E^{2 ,}

где

В = χ / λ — постоянная Керра.

Максимальным значением В среди известных веществ обладает нитробензол, В = 2•10^-5 СГСЭ. Постоянная Керра увеличивается при уменьшении длины волны (дисперсия) и сильно уменьшается при повышении температуры.

Применение:

Если к обкладкам конденсатора Керра подавать импульс напряжения, то ячейка играет роль затвора, длительность действия которого определяется длительностью электрического импульса. Ячейки Керра как модулятор и затвор применяются для управления режимом работы оптических квантовых генераторов.

Благодаря чрезвычайной быстроте установления и исчезновения эффекта Керра оказалось возможным использовать его для многих научных и технических целей.