Магнитное вращение плоскости поляризации

Оптически неактивные вещества в магнитном поле становятся оптически активными и вращают плоскость поляризации – эффект Фарадея.

Угол поворота φ плоскости поляризации пропорционален пути l света в веществе и напряженности внешнего магнитного поля, то есть магнитной индукции В в веществе:

, (23.1)

V – постоянная Верде, или магнитная вращательная способность, которая зависит от рода вещества и длины волны .

Направление ВПП в магнитном поле для данного вещества зависит только от направления магнитного поля и не зависит от направления v света. Это отличает ВПП в магнитном поле от естественной оптической активности и показывает, что оно обусловлено действием магнитного поля на вещество.

Независимость магнитного ВПП от направления распространения света в магнитном поле позволяет увеличивать угол поворота плоскости поляризации за счет многократного прохождения луча в среде.

Важная особенность эффекта Фарадея – малая инерционность. Эффект Фарадея лежит в основе действия оптического изолятора.

Часть энергии оптического сигнала, распространяющегося по волокну, возвращается обратно, отражаясь от неоднородностей. Обратный сигнал, попадая в резонатор лазера, индуцированно усиливается, порождая паразитный сигнал. Основной способ подавления обратного светового потока – использование оптического изолятора, который пропускает практически без потерь свет в одном направлении, а в обратном – с большим затуханием.

Оптические изоляторы в настоящее время является ключевым элементом многих лазерных систем, оптических усилителей и используются в оптоволоконных линиях связи.

Параметры фарадеевского вращателя выбираются так, чтобы ось поляризации поворачивалась на угол 45⁰.

Главное преимущество тонкопленочных нанополяризаторов в том, что они допускают объединение с фарадеевским вращателем. При этом металлические или диэлектрические пленочные наноструктуры наносятся непосредственно на поверхность фарадеевского вращателя. Размер изолятора уменьшается на ≈ 30%.

ЛЕКЦИЯ 24

Рассеяние света. Давление света.

Рассеяние света – это изменение пространственного распределения, частоты, поляризации э/м излучения при взаимодействии с веществом. Если частота рассеянного света равна частоте падающего, то рассеяние называется рэлеевским (упругим). При неупругом рассеянии происходит изменение частоты, так как энергия распределяется между излучением и рассеивающей частицей.

Другими словами, рассеяние света возникает при взаимодействии вещества со световым пучком и приводит к появлению э/м излучения того же или иного спектрального состава в направлениях, отличающихся от первоначального.

К рассеянию света приводит наличие неоднородностей в среде, которые могут возникать по разным причинам.

Основная идея: атомы и молекулы вещества и их совокупности под воздействием падающего на них излучения становятся источниками вторичного излучения.

П рирода процессов рассеяния. Процесс рассеяния света состоит в заимствовании энергии молекулой или частицей среды у распространяющейся в среде э/м волны и излучении этой энергии в телесный угол, вершиной которого является молекула или частица.

Если среда рассматривается как непрерывная, то источниками рассеяния выступают оптические неоднородности среды. В этом случае среда феноменологически характеризуется изменяющимся показателем преломления. Рассеяние происходит на областях значительного изменения показателя преломления. Физически – это дифракция волны на неоднородностях.

1) Рассеяние света в мутных средах. Оптическая неоднородность создается мельчайшими частицами постороннего вещества (туман, дым, пыльный воздух, эмульсии и т.д.). Это рассеяние называется тиндалевским. Теорию развил Рэлей. Это упругое (рэлеевское) рассеяние.

Экспериментальные факты: рассеяние происходит преимущественно в коротковолновой области спектра, а свет, рассеянный под углом к первичному пучку естественного света, полностью (если рассеивающие частицы изотропны) или частично поляризован.

При рассеянии каждая рассеивающая частица приобретает дополнительный дипольный момент под действием световой волны. Меняясь во времени, он излучает э/м волны как колеблющийся диполь Герца. Эти э/м волны и являются рассеянным светом. Диполь не излучает э/м энергии в направлении своей оси.

Пусть свет распространяется вдоль оси z. Левый рисунок соответствует случаю, когда падающая волна является линейно поляризованной с направлением колебаний электрического вектора по оси x. В этом случае излучение вдоль оси x отсутствует. Рассеянный свет останется линейно поляризован.

Правый рисунок соответствует случаю, когда падает естественный свет. Угол φ – угол рассеяния. Разложим дипольный момент , который параллелен плоскости XY, на составляющие дипольные моменты и . Если φ = /2, то дипольный момент излучения не дает, и рассеянный свет будет полностью поляризован. При других углах рассеяния свет будет поляризован частично.

Рассматривая рассеяние естественного света в мутной среде с диэлектрической проницаемостью ε₀ и вкрапленными в нее сферическими частицами с проницаемостью ε и размером << , Рэлей получил формулу:

, (24.1)

где r – расстояние от рассеивающей частицы до точки наблюдения, N – концентрация частиц, v – объем частицы.

Из (24.1) следует, что интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны :

I  закон Рэлея. (24.2)

Закон Рэлея справедлив для рассеивающих частиц, линейные размеры которых малы по сравнению с длиной волны.

На основе закона Рэлея можно объяснить голубой цвет неба и красный цвет зари. Если бы рассеяния света не было (как в космосе), то небо было бы черным. В атмосфере солнечное излучение рассеивается в стороны. Интенсивность рассеянного света тем больше, чем короче длина волны (синяя часть спектра). Поэтому рассеянный свет обогащен короткими волнами, и небо мы видим синим. Когда солнце низко над горизонтом, свет от него проходит большой путь в атмосфере, при этом меньше рассеивается длинноволновое излучение (красное). Поэтому при восходе и заходе мы видим красное Солнце, а заря имеет красный цвет.

Однако оказалось, что наличие мелких рассеивающих частиц в атмосфере – не единственная причина рассеяния света. Оказалось, что чем чище воздух, тем насыщеннее синева неба и полнее поляризация. Рэлей предположил, что рассеяние может происходить на самих молекулах.

2) Молекулярное рассеяние. Это также рэлеевское (упругое) рассеяние.

Молекулярное рассеяние вызывается тепловыми флуктуациями показателя преломления, которые делают среду оптически мутной.

При построении теории Рэлей исходил из того, что рассеяние происходит на отдельных молекулах газа, аналогичных независимым шарикам. Результирующую интенсивность рассеянных волн он вычислял, складывая интенсивности рассеянных волн от отдельных молекул, как некогерентных волн. На самом деле роль шариков выполняют макроскопические неоднородности, связанные с флуктуациями показателя преломления n. Однако для случая идеальных газов результат оказался верен. Окончательная теория молекулярного рассеяния была построена Эйнштейном.

Интенсивность молекулярного рассеяния естественного света в идеальном газе объема V:

. (24.3)

N – число молекул в единице объема. (24.3) называется формулой Рэлея. Верна для изотропных молекул. Если падающий свет линейно поляризован, то рассеянный свет поляризован частично, а не полностью, как требует теория. Это называется деполяризацией рассеянного света.

Цвет неба может быть объяснен только молекулярным рассеянием света в чистой атмосфере.

С квантовой точки зрения рэлеевское рассеяние происходит в два этапа: сначала атомный электрон поглощает налетающий квант света – фотон и на короткое время переходит на временный, промежуточный уровень энергии (в квантовой механике его называют виртуальным), а затем возвращается обратно, излучая фотон с той же энергией-частотой, но с другим – случайным, вероятностным – направлением распространения.

3) Комбинационное рассеяние света (КРС), или рамановское рассеяние.

Исследования Мандельштама и Ландсберга в Советском Союзе и Рамана и Кришнана в Индии в 1928 году показали, что спектр рассеянного света кроме спектральных линий падающего света содержит дополнительные линии, симметрично расположенные с низкочастотной и высокочастотной сторон около линий первичного света (стоксовская и антистоксовская компоненты рассеяния). Эти линии измененной частоты называются сателлитами. Это явление называется КРС или эффектом Рамана. КРС наблюдается в различных средах – газах, жидкостях, кристаллах.

Основные законы КРС:

1) Сателлиты есть у каждой линии первичного света. Обнаружить их можно только при использовании дискретного спектра.

2) Частоты сателлитов отличаются от частоты возбуждающей их линии на _i, где i – номер сателлита. Для всех спектральных линий падающего пучка набор значений _i один и тот же. Он характерен для конкретного вещества. На этом основана рамановская спектроскопия, или спектральный анализ методом КРС.

3) Каждому сателлиту с частотой  - , смещенной в красную сторону спектра, соответствует сателлит с частотой  + , смещенной в фиолетовую сторону.

4) Число сателлитов (число i) и их относительная интенсивность при фиксированной температуре Т зависят от исследуемого вещества. Интенсивность фиолетовых сателлитов значительно меньше интенсивностей соответствующих им красных сателлитов, однако быстро возрастает с увеличением Т.

5) Значения _i равны частотам собственных колебаний молекул.

Таким образом, частота рассеянного света комбинируется из частоты падающего света и частоты внутримолекулярного (обычно инфракрасного) колебания. Отсюда название - комбинационное рассеяние.

Квантовая картина КРС.

Классическая теория КРС недостаточна для объяснения всех законов этого типа рассеяния. Все закономерности можно объяснить на основе квантовой теории. Рассмотрим квантовую картину КРС на самом простом уровне.

Энергетические уровни молекулы составляют дискретный ряд значений. Молекулярные спектры имеют структуру в виде полос, состоящих из многих спектральных линий, - полосатый спектр. Наличие регулярно повторяющихся полос говорит о существовании механизма квантования энергетических уровней молекулы. Основной причиной, приводящей к квантованию энергии молекулы, является существование потенциальной ямы для частиц, составляющих молекулу.

В молекулах, в отличие от атомов, изменения энергии возможны не только за счет перестройки электронных орбит, но и за счет движения атомных ядер, образующих молекулу. Ядра совершают колебательные движения, энергия которых квантуется. Также квантуется энергия вращательных движений молекулы.

- все три составляющие квантуются!

Частота электронных переходов на порядок превышает частоту колебательных.

И зменение колебательной энергии приводит к появлению системы полос a, b, c, которые состоят из вращательных уровней. Изменение энергии электронных состояний приводит к появлению полос A, B, C.

Рассеяние фотона на молекуле аналогично процессу столкновения его с молекулой, к которому применим закон сохранения энергии. Фотон может или передать часть своей энергии молекуле, или получить энергию от молекулы, находящейся в возбужденном состоянии. Изменение энергии фотона проявляется в изменении его частоты , так как .

При КРС молекула в результате взаимодействия с налетающим и испущенным фотонами переходит на другой колебательный энергетический уровень.

Пусть фотон с энергией рассеивается на молекуле с исходной энергией E_n. В результате молекула переходит на энергетический уровень с энергией E_m, а энергия Е_рф рассеянного фотона найдется из закона сохранения энергии:

.

.

В этом случае при рассеянии возникает красный сателлит.

Если E_n > E_m, то частота рассеянного фотона больше, чем падающего, и в рассеянном свете появляется фиолетовый сателлит.

Запишем отношение интенсивностей красных и фиолетовых сателлитов. Пусть N_n – число молекул на уровне E_n, а N_m – на уровне E_m. Используя формулу Больцмана для теплового равновесия, получим:

. (24.4)

Соотношение (24.4) объясняет тот факт, что интенсивность фиолетовых сателлитов значительно меньше интенсивностей соответствующих им красных сателлитов, а также быстрый рост интенсивности фиолетовых сателлитов с увеличением температуры Т.