20) Интерференция плоскополяризованных волн. Метод фотоупругости/ анализ упругих напряжений. Искусственная анизотропия, эффект Керра.

Фотоупругость, фотоэластический эффект, пьезооптический эффект — возникновение оптической анизотропии в первоначально изотропных твёрдых телах (в том числе полимерах) под действием механических напряжений.

Метод фотоупругости - это метод определения внутренних напряжений в прозрачных, в ненапряженном состоянии, изотропных, телах.

В методе фотоупругости используется тот факт, что за механические и оптические свойства тела отвечают одни объекты - валентные электроны. От подвижности валентных электронов зависит показатель преломления. При появлении механического напряжения в теле соответствующие валентные электроны (в соответствующих атомах, в соответствующих направлениях) смещаются, или, еще говорят, меняют свою плотность. Как следствие, для соответствующих поляризаций света, распространяющегося в соответствующих направлениях, меняется показатель преломления. Чем больше напряжения, тем больше изменение показателя преломления. По изменениям показателя преломления определяются механические напряжения.

Если внутренние напряжения, обусловленные внешней нагрузкой, более или менее успешно рассчитываются известными методами (например, методом конечных элементов), то внутренние остаточные напряжения, которые тела приобретают в процессе своего создания и существования, можно определить на сегодняшний день только экспериментально. Тут метод фотоупругости - один из лучших помощников.

Оптический анализ упругих напряжений

Получение больших пластин поляроида резко расширило возможности исследования различных технических сооружений путем использования так называемого фотоанализа упругих напряжений. Вообще говоря, этой методике уже свыше 40 лет, но по-настоящему широкое распространение она получила лишь сейчас. Теоретические расчеты, которые позволяют судить о напряжениях, возникающих в сложных по форме технических объектах, подвергаемых различным силовым воздействиям (это может быть, например, поршень или пластинка с прорезями или отверстиями), часто оказываются невероятно трудными. Вместо проведения расчетов делают модель объекта из прозрачной пластмассы. Материал для модели подбирают таким образом, что, когда его подвергают деформациям, он становится двоякопреломляющим. Есла такую находящуюся под действием деформирующих сил модель поместить между скрещенными поляроидами (которые задерживают весь пропускаемый свет), то свет будет проходить только в областях двойного лучепреломления. В резулвтате возникают цветные полосы, число и форма которых зависят от напряжений в соответствующих местах модели. Так можно изучать распределение напряжений в случаях, слишком трудных для тебрётйвеского анализа.

Искусственная анизотропия

Двойное лучепреломление можно наблюдать и в изотропных средах (аморфных телах), если подвергнуть их механическим нагрузкам.

Изотропное тело, подвергнутое упругим деформациям, может стать анизотропным и изменить состояние поляризации проходящего света. Это явление, открытое в 1818 г. Брюстером, получило название фотоупругости или пьезооптического эффекта. При одностороннем растяжении или сжатии тело становится подобным одноосному кристаллу с оптической осью, параллельной направлению приложенной силы. Мерой возникающей при этом оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Опыт показывает, что эта разность пропорциональна напряжению в данной точке тела. От этого напряжения будет зависеть разность показателей преломления: , где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества.

Поместим стеклянную пластинку Q между двумя поляризаторами Р и А

В отсутствие механической деформации свет через них проходить не будет. Если же стекло подвергнуть деформации, то свет может пройти, причем картина на экране получится цветная. По распределению цветных полос можно судить о распределении напряжений в стеклянной пластинке

Это явление широко используется для определения прочности деталей. Помещая прозрачные фотоупругие модели между поляризатором и анализатором и подвергая их различным нагрузкам, можно изучать распределения возникающих внутренних напряжений.

Явление искусственной анизотропии может возникать в изотропных средах под воздействием электрического поля (эффект Керра). На рис. 11.16 изображена так называемая ячейка Керра.

Если поляризаторы скрещены, то в отсутствие поля свет через ячейку Керра не проходит. В электрическом поле между пластинками конденсатора жидкость (используется обычно нитробензол) становится анизотропной. Свет, прошедший через кювету, поворачивает плоскость поляризации, и система становится прозрачной. Ячейка Керра может служить затвором света, который управляется потенциалом одного из электродов конденсатора, помещенного в ячейку.

На основе ячеек Керра построены практически безынерционные затворы и модуляторы света с временем срабатывания до 10-12 с.

Величина двойного лучепреломления прямо пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля: (закон Керра). Здесь n - показатель преломления вещества в отсутствие поля, , где и - показатели преломления для необыкновенной и обыкновенной волн, k - постоянная Керра.

21.Врещение плоскости поляризации. Вращение плоскости поляризации света, поворот плоскости поляризации линейно поляризованного света при его прохождении через вещество. В. п. п. наблюдается в средах, обладающих двойным круговым лучепреломлением, т. е. различными показателями преломления для право- и левополяризованных по кругу лучей Линейно поляризованный пучок света можно представить как результат сложения двух лучей, распространяющихся в одном направлении и поляризованных по кругу с противоположными направлениями вращения. Если такие два луча распространяются в теле с различными скоростями, то это приводит к повороту плоскости поляризации суммарного луча. В. п. п. может быть обусловлено либо особенностями внутренней структуры вещества, либо внешним магнитным полем. В. п. п. наблюдается, как правило, в оптически изотропных телах (кубические кристаллы, жидкости, растворы и газы). Явлением В. п. п. пользуются для исследования структуры вещества и определения концентрации оптически-активных молекул (например, сахара) в растворах, а также в ряде оптических приборов (оптические модуляторы, затворы, вентили, квантовые гироскопы и т.п.).