Двойное лучепреломление

Почти все прозрачные кристал­лические диэлектрики оптически анизотропны т. е. оптиче­ские свойства света при прохождении через них зависят от на­правления. Вследствие этого возникают явления, называемые двойным лучепреломлением. Явление наблюдается при прохождении света через кристаллы, не обладающие кубической структурой и заключается в том, что луч распадается на два, причём каждый распространяется со своей скоростью и, вообще говоря, в разных направлениях.

	Луч, для которого выполняются законы преломления , называется обыкновенным (о), а другой – необыкновенным (е). Необыкновенный луч не подчиняется обычному зако­ну преломления, и даже при нормальном падении светового пучка на поверхность кристалла необыкновенный пучок может отклоняться от нормали (рис. 21). И, как правило, необыкно­венный луч не лежит в плоскости падения.
Рисунок 21

Существуют кристаллы одноосные (кварц (кри­сталлический), исландский шпат и турмалин) и двуосные. У одноосных кристаллов один из преломленных пучков подчиняется обыч­ному закону преломления.

У одноосных кристаллов имеется оптическая ось кристалла – направление (ОО’ на рис. 21), при распространении луча света вдоль которого разделение на два луча не происходит и скорости лучей равны.

Любая плоскость, содержащая ось кристалла, называется главным сечением кристалла или главной плоскостью кристалла.

Оба луча оказываются линейно поляризованными во взаимно перпендикулярных направлениях. Плоскость колебаний обыкновенного луча перпендикулярна плоскости кристалла, т.е. плоскости которой принадлежат оптическая ось и лучи (см. рис 21).

	Оба луча, вышедшие из кристалла, отличаются друг от дру­га только направлением поляризации, так что названия «обык­новенный» (о) и «необыкновенный» (е) имеют смысл только внутри кристалла. Кристаллы, в которых обыкновенный луч движется быстрее необыкновенного, называются положительными, другие – отрицательными. Диаграммы скоростей изображены на рис. 22.
Рисунок 22

Одноосные кристаллы характеризуют показателем прелом­ления обыкновенного луча =c/v₀ и показателем преломле­ния необыкновенного луча, перпендикулярного оптической оси, =c/v_e.

Дихроизм. Существуют кристаллы, в которых один из лу­чей (о или е) поглощается сильнее другого. Это явление и на­зывают дихроизмом. Очень сильный дихроизм присущ крис­таллу турмалина (минералу сложного состава). В нем обыкно­венный луч практически полностью поглощается на длине около 1 мм.

Явление дихроизма используют для изготовления поляриза­торов в виде светофильтров, их называют поляроидами (герапатитовые и др.). Они представляют собой тонкую (~0,1 мм) пленку, линейно поляризующую проходящий через нее свет.

Искусственное двойное лучепреломление

Анизотропия при деформациях. При одностороннем сжатии или растяжении направление деформации становится выделен­ным и играет роль оптической оси. Тело становится анизотроп­ным и двупреломляющим, разность показателей преломления которого

где и — напряжение (Па = Н/м²), k — коэффициент, завися­щий от свойств вещества.

Для наблюдения двойного лучепре­ломления исследуемое тело помещают между скрещенными поляризаторами, плоскости пропускания которых со­ставляют угол 45° с направлением де­формации (рис. 23).

Если тело имеет вид клина или другой более сложной формы, то в проходящем свете наблюдается картина в виде сис­темы так или иначе

	расположенных полос с максимумами и минимумами освещенности. При изменении напряжения кар­тина меняется. Этим пользуются при исследовании распределе­ния напряжений в сложных телах (конструкциях): изготавли­вают геометрически подобную модель из подходящего прозрач­ного материала,
Рисунок 23

подвергают ее нагрузке и по наблюдаемой между скрещенными поляризаторами картине судят о распре­делении внутренних напряжений. Этот метод значительно упрощает весьма трудоемкую работу по расчету напряжений в новых конструкциях.

Анизотропия в электрическом поле. Возникновение двойного лучепреломления в жидкости и в аморфных телах под воздейст­вием электрического поля — эффект Керра — нашел широкое применение как в науке, так и в технике эксперимента. Схема установки для наблюдения этого эффекта показана на рис. 24.

	Между двумя скрещен­ными поляри­заторами Р и Р' помещают ячейку Керра — исследуемую жидкость между об­кладками конденсатора в кювете.
Рисунок 24

При создании электрического поля, напряженность кото­рого составляет угол 45° с плоскостями пропускания поляриза­торов, среда становится оптически анизотропной, двупреломляющей, оптическая ось которой совпадает с направлением вектора .

Возникающая разность показателей преломления обыкно­венной и необыкновенной волн оказывается при этом равной следующему выражению:

где — длина волны света, В — постоянная Керра, имеющая особенно большое значение у нитробензола (2,2-1(Г¹⁰ см/В²).

Эффект Керра: Разность фаз обыкновенного и необыкновенного луча после прохождения такой ячейки , гдеB – постоянна Керра.

Наиболее важной особенностью эффекта Керра, обусловли­вающей его широкое применение, является весьма малая инер­ционность (до 10~¹² с!). Это, в частности, позволяет осущест­вить практически безинерционный оптический затвор, с помо­щью которого изучают весьма быстро протекающие процессы. Такой затвор представляет собой по существу «лупу времени».

Изменение оптических свойств кристалла под действием внешнего электрического поля называют электрооптическим эффектом Поккелъса. В отличие от эффекта Керра, квадратич­ного по , эффект Поккельса зависит линейно от .