Искусственное двойное лучепреломление. (искусственная анизотропия). Эффект Керра

Прозрачные тела, в обычных условиях не имеющие двойного лучепреломления, при определенных внешних воздействиях могут приобрести это свойство. В частности, это происходит при механической деформации тел. Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Из опытов следует, что эта разность пропорциональна напряжению ( ) в данной точке тела:

k – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества.

П оместим стеклянную пластинку между скрещенными поляризаторами и (плоскости пропускания поляризаторов - расположены под прямым углом). Пока стекло не деформировано, такая система не пропускает света. Если пластинку сжать, свет начинает проходить, причем наблюдаемая в прошедших лучах картина имеет вид цветных полос. Каждая из полос соответствует одинаково деформированным местам пластинки. Следовательно, по расположению полос можно судить о распределении напряжений внутри пластинки. На этом основывается оптический метод исследования напряжений в деталях машин. Модели деталей изготавливают из органического стекла (полиметилметакрилата), подвергают нагрузке и наблюдают распределение напряжений в них.

Двойное лучепреломление в жидкостях и аморфных телах возникает под действием электрического поля. Это явление называется эффектом Керра. Это явление было открыто шотландским физиком Джоном Керром (1824 – 1907) в 1875 году.

Схема установки для исследования эффекта Керра в жидкостях показана на рисунке.

У становка состоит из ячейки Керра, помещённой между скрещенными поляризатором и анализатором. Ячейка Керра представляет собой герметичный 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 n₀ и n_e пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля E.

k – коэффициент пропорциональности.

На пути l, равном длине пластин, между обыкновенным и необыкновенным лучом возникает разность хода.

Или возникает разность фаз.

Это выражение принято записывать в следующем виде.

B – характерная для данного вещества величина, называемая постоянной Керра.

Из известных жидкостей наибольшей постоянной Керра обладает нитробензол (C₆H₅NO₂). Постоянная Керра зависит от температуры и от длины волны падающего света.

Эффект Керра объясняется различной поляризуемостью молекул по различным направлениям. В отсутствие поля молекулы ориентированы хаотическим образом, поэтому жидкость в целом не обнаруживает анизотропии. Под действием электрического поля молекулы поворачиваются так, чтобы в направлении поля были ориентированы либо их дипольные моменты (у полярных молекул), либо направления наибольшей поляризуемости (у неполярных молекул). В результате жидкость становится оптически анизотропной. Ориентирующему действию поля препятствует тепловое движение молекул. Этим обуславливается уменьшение постоянной Керра с повышением температуры.

Эффект Керра практически безынерционен. При включении или выключении электрического поля переход вещества из изотропного состояния в анизотропное состояние происходит за время порядка 10^-10 с. В отсутствие напряжения на пластинах конденсатора свет не проходит через ячейку Керра. При включении напряжения она пропускает значительную часть света, падающего на поляризатор. Следовательно, эффект Керра можно эффективно использовать в качестве идеального светового затвора при изучении быстропротекающих процессов (например, скоростная фото- и киносъемка).