3.5.Применение поляризованного света

Фотоупругость

Оптическая разность хода ΔL,возникающая в разных точках деформированной пластинки, зависит от разности показателей пре­ломления (n_о–n_е), которая, в свою очередь, зависит от величи­ны напряжения σ в этой точке (формула 3.6).

Таким образом, условие макси­мума интерференции в любой точке пластинки запишется следующим об­разом:

.

Отсюда можно найти:

,

где k порядок интерференционной полосы.

При наблюдении деформированной пластинки в монохроматическом свете на ее поверхности видна система темных и светлых полос. Каждая светлая полоса  геометрическое место точек, имеющих одина­ковое напряжение σ =const. При освещении пластинки белым светом она приобретает причуд­ливую разноцветную окраску. Каждая интерференционная ли­ния одного цвета (изохромата) соответствует при этом одинаково деформиро­ванным местам пластинки.

Следовательно, по расположению интерференционных полос можно судить о распределении напряжений и их величине внутри пластинки. На этом основывается оптический метод исследования напряжений. Для этой цели изготавливают модели из плексигласа, целлулоида или другого проз­рачного изотропного вещества, измеряют на них напряжения, а затем делают соответствующий пересчет на проектируемую конструкцию.

Ячейка Керра

Возникновение двойного лучепреломления в газах, жидкостях и в аморфных твердых телах (диэлектриках) под воздействием сильного однородного электрического поля называется эффектом Керра.Это явление впервые было обнаружено шотландским физиком Д. Керром в 1875 году.

Схема установки для исследования эффекта Керра в жидкостях изображена на рис. 3.8.Установка состоит из ячейки Керра, помещен­ной между скрещенными поляризатором и анализатором. Ячейка Керра представляет собой сосуд с жидкостью, в которую введены пластины конденсатора. При подаче на пластины напряжения между ними возника­ет практически однородное электрическое поле. Под его действием жидкость приобретает свойства одноосного кристалла с оптической осью, ориентированной вдоль поля.

Возникающая разность показателей преломления пропорциональна квадрату напряженности поляЕ:

, (3.8)

где ₂– коэффициент пропорциональности.

На пути l (длина пластины конденсатора) между обыкновенным и не­обыкновенным лучами возникает оптическая разность хода

, (3.9)

где В  постоянная Керра, зависящая от природы вещества, его температуры и длины волны света в вакууме.

Эффект Керра объясняется различной поляризуемостью молекул вещества по различным направлениям. Это явление практически безинер­ционно, т.е. переход вещества из изотропного состояния в анизотроп­ное при включении поля (и обратно) происходит приблизительно за 10^-10с. Поэтому ячейка Керра служит идеальным световым затвором и применяется в быстропротекающих процессах (в звукозаписи, вос­производстве звука, скоростной фото- и киносъемке и т.д.), в оп­тической локации, связи и т.д.

Вращение плоскости поляризации

Некоторые вещества, называемые оптически активными, обладают способностью вращать плоскость поляризации проходящего через них плоскополяризованного света. К таким веществам принадлежат твердые тела (кварц, сахар, киноварь), чистые жидкости (скипидар, никотин, винная кислота) и растворы оптически активных веществ (сахара, спирта и т.д.).

Вращение плоскости поляризации можно наблюдать на следующем опыте. Если между скрещенными поляризатором и анализатором, не пропускающими свет, поместить оптически активное вещество (напри­мер, кювету с раствором сахара),то поле зрения анализатора про­светляется. При повороте анализатора на угол φ можно вновь полу­чить темное поле зрения. Следовательно, φ -угол, на который оптически активное вещество поворачивает плоскость поляризации света, вышедшего из поляризатора.

В растворах угол поворота плоскости поляризации пропорциона­лен пути света в растворе lи концентрации активного веществаС:

, (3.10)

где [φ₀] величина, называемая удельным вращением. Удельное враще­ние численно равно углу поворота плоскости поляризации света слоем раствора оптически активного вещества единичной толщины при единич­ной концентрации раствора. Оно зависит от природы вещества, темпе­ратуры и длины волны света в вакууме.

В оптически активных кристаллах и чистых жидкостях угол φ поворота плоскости поляризации света пропорционален толщине слоя вещества, пройденного светом:

φ = [φ₀]l. (3.11)

Коэффициент φ₀, численно равный углу поворота плоскости поляриза­ции света слоем оптически активного вещества единичной толщины, называется удельным вращением.

Оптически активные вещества в зависимости от направления вра­щения плоскости поляризации подразделяются на правои левовращающие (вращение по часовой стрелке или против часовой стрелки для наблюда­теля, смотрящего навстречу лучу).

Явление вращения плоскости поляризации в растворах (фор­мула (3.12))лежит в основе сертификации продуктов. Это явление используется, например, для точного определения концентрации растворов оптически активных веществ (поляриметрия).

Оптически неактивные вещества приобретает способность вращать плоскость поляризации под действием магнитного поля. Это явление было обнаружено М. Фарадеем и получило название эффекта Фарадея. Этот эффект имеет огромное значение для науки, так как в нем об­наруживается связь между оптическими и электромагнитными процес­сами.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Что такое свет с точки зрения волновой теории?

2. К какому типу волн (продольным иди поперечным) относится световая волна?

3. Какие световые лучи называют: а) естественными; б) поляризованными; в) частично поляризованными? г) плоско-поляризованными; д) эллиптически поляризованными; в) поляризованными по кругу?

4. Что называют интенсивностью световой волны? От каких величин и как она зависит?

5. Какую величину называют степенью поляризации светового луча?

6. Чему равна степень поляризации: а) естественного луча; б) плоско поляризованного луча?

7. Перечислите способы получения поляризованного света.

8. Какой прибор называется поляризатором, анализатором?

9. Изобразите расположение лучей в случае получения плоско-поляризованного света при отражении от диэлектрика. Какой из лучей в этой схеме: а) естественный; б) частично поляризованный; в) плоско-поляризованный?

10. При каком соотношении углов падения и преломления светового луча наблюдается полная поляризация света при отражении от диэлектрика?

11. Сформулируйте закон Брюстера.

12. Какой прибор называется стеклянной стопой? Каково его назначение?

13. Какие среды называются: а) изотропными; б) анизотропными?

14. В чем заключается явление двойного лучепреломления и как оно объясняется?

15. Какое направление в кристалле называется оптической осью?

16. Как называются лучи, образующиеся при двойном лучепреломле­нии? Почему они так называются?

17. В чем проявляется сходство обыкновенного и необыкновенно­го лучей?

18. В чем различие обыкновенного и необыкновенного лучей?

19. Сохраняются ли все различия в свойствах у обыкновенного и необыкновенного лучей после выхода из кристалла?

20. В чем сущность явления дихроизма световых лучей?

21. Изобразите схему,с помощью которой можно исследовать поляризацию луча.

22. Сформулируйте закон Малюса.

23. Каковы условия возникновения явления интерференции поля­ризованных лучей?

24. Как изменяются свойства прозрачной изотропной пластинки после деформации?

25. Как используется явление интерференции при анализе упругих напряжений?

26. Каково устройство и назначение "ячейки Керра"?

27. В чем сущность явления вращения плоскости поляризации?

28. Какие вещества называются оптически активными? Приведите примеры таких веществ.

29. От каких величин и как зависит угол поворота плоскости поляризации: а) в растворах оптически активных веществ; б) в твердых телах и чистых жидкостях?

30. Каково физическое содержание величины, называемой "удель­ным вращением"?

31. В чем заключается эффект Фарадея?