Вращение плоскости поляризации

Обычное стек­ло аморфно и изотропно. Если подвергнуть стекло одностороннему напряжению (рис. 4-9), то в направлении действия сил F стекло С сожмется, а в перпендикулярном — расширится. Разность показателей преломления (n0 — ne) обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси, пропорциональна нормальному напряжению s. Благодаря такой анизотропии деформации стекло станет опти­чески анизотропным и в деформированных участках получает свойства двоякопреломляющего кристалла и будет изменять поляризацию проходящего через него света, например превращая линейно поляризованный луч в поляризованный по кругу или по эллипсу.

Если стекло не деформированно, то при скрещенных поляризаторе П и анализаторе А на экране Э будет полная темнота. При деформации стекла лучи, идущие от поляризатора, проходя деформированные участки, изменят свою поляризацию и не будут полностью гаситься анализатором. На экране Э появятся в соответствующих местах цветные полосы, интенсивность и окраска которых характеризуют степень деформи­рованности отдельных участков. Каждая полоса соответствует одинаково деформи­рованным местам пластинки. Следовательно, по харак­теру расположения полос можно судить о распределении напряжений внутри пластинки.

Таким образом, искусственная анизотропия под дей­ствием механических воздействий позволя­ет исследовать напряжения, возникающие в прозрачных телах, например, остаточных деформаций в стекле при закалке. Так как применяе­мые обычно в технике материалы (метал­лы) непрозрачны, то исследование на­пряжений производят на прозрачных моделях. Модель подвергается дей­ствию нагрузок, пропорциональными тем, какие будет испыты­вать изделие в реальных условиях. Возникающие в модели деформации делают соответствующие участки анизотроп­ными. Просвечивая модель поляризованным светом, например по схеме, изображенной на рис. 4-9, можно определить деформа­ции и напряжения в модели, а затем делают соответствующий пересчет на проектируемую реальную конструкцию.

Оптическую анизотропию диэлектрика можно создать, воз­действуя на него не только механически, но и наложением электрических и магнитных полей. Магнитное поле дает весьма слабый эффект; поэтому подробнее остановимся на дей­ствии электрического поля, на так называемом эффекте Керра.

В 1875 г. Дж. Керр обнаружил, что жидкий или твердый изотроп­ный диэлектрик, помещенный в сильное однородное элект­рическое поле, становится оптически анизотропным. В 1930г. эффект Керра был обнаружен также и в газах. Поляризуемость (ориентационная способность молекулярных диполей) в направлении параллельном оптической оси кристалла становится несколь­ко отличной от поляризуемости в перпендикулярном направлении. В оптическом отношении такой диэлектрик ведет себя как одноосный кристалл (дает двойное лучепреломление) незави­симо от того, является он твердым, жидким или газообразным. По­явление двойного лучепреломления объясняется ориентацией моле­кул в электрическом поле и созданием структуры, подобную кристаллической: молекулы поворачиваются по полю так же, как стрелка компаса в магнитном поле Земли. Чем большей анизотро­пией обладают молекулы, тем сильнее эффект.

Схема наблюдения эффекта Керра изображена на рис. 4-10. Между скрещенными николями П и А помещают ячейку Керра С — сосуд с любой непроводящей жидкостью. К металлическим пластинам (обкладки плоского конденсатора), погружен­ными в жидкость, прикладывается большая разность потенциалов под действием которой жидкость становится двупреломляющей.

Это явление практиче­ски безынерционно, т. е. переход вещества из изотропного состояния в анизотропное при включении поля (и обратно) примерно 10-9 с. Поэтому ячейка Керра – это идеальный световой затвор и применяется в быстропротекающих процессах (звукозапись, воспроиз­водство звука, скоростная фото — и кино­съемка, измерение скорости распростране­ния света в лабораторных условиях и т. д.), в оптической локации, в оптической телефонии. На применении ячей­ки Керра была основана первая советская система звукового кино П. Г. Тагера («тагефон»). Напряжение на ячейке Керра модулиро­валось со звуковой частотой.

4.5. Вращение плоскости поляризации

Некоторые вещества (вин­ная кислота, водный раствор сахара, сахар, скипидар, кварц, киноварь) обладают способностью вращать плоскость поляризации и их называют опти­чески активными.

Вращение плоскости поляризации можно наблюдать на следующем опыте (рис.4-9). Если между скрещенными по­ляризатором Р и анализатором А, дающи­ми темное поле зрения, поместить оптиче­ски активное вещество (например, кювету с раствором сахара), то поле зрения ана­лизатора просветляется. Чтобы вновь получить темное поле зрения надо повернуть анализатор на некоторый угол j (угол, на который оптически актив­ное вещество поворачивает плоскость по­ляризации света, прошедшего через поля­ризатор. Так как поворотом анализатора можно получить темное поле зрения, то свет, прошедший через оптически актив­ное вещество, является плоскополяризованным.

Опыт показывает, что для оптически ак­тивных кристаллов и чистых жидкостей угол поворота плоскости поляризации

, (4.4)

для оптически активных растворов

, (4.5)

где l — расстояние, пройденное светом в оптически активном веществе,

a ([a]) — удельное вращение, чис­ленно равное углу поворота плоскости по­ляризации света оптически активным веществом единичной толщины (единич­ной концентрации — для растворов), С — массовая концентрация оптически актив­ного вещества в растворе, кг/м3. Удельное вращение зависит от природы вещества, температуры и длины волны света в ва­кууме.

Прибор, служащий для определения концентрации растворов опти­чески активных веществ, называется поляриметром. Поляриметр, предназначенный для измерения концентрации водных растворов сахара называется сахариметром.

Оптически активные вещества, поворачивающие плоскость колебаний (плоскость колебаний век­тора напряженности электрическо­го поля ) по часовой стрелке (если смотреть навстречу лучу), называются правовращающими, а поворачивающие эту плоскость против часовой стрелки — левовращающими.

Вращение плос­кости поляризации объяснено О. Френелем (1817 г.). Явление вращения плоскости поляри­зации и, в частности, формула (4-5) лежат в основе метода определе­ния концентрации растворов оптически ак­тивных веществ, называемого поляриметрией (сахариметрией). М. Фарадеем обнаруже­но вращение плоскости поляризации в оп­тически неактивных телах, возникающее под действием магнитного поля. Это явле­ние получило название эффекта Фарадея (или магнитного вращения плоскости по­ляризации). Оно имело огромное значе­ние для науки, так как было первым явлением, в котором обнаружилась связь между оптическими и электромагнитными процессами.

5. Дисперсия света.

Опыт показывает, что скорость света в среде зависит от длины волны света (— расстояние, которое световая волна проходит за один период. Период — время одного полного колебания). В видимом диапазоне длин волн, скорость минимальна для фиолетовых лучей (ф ≈ 400 нм) и максимальна для красных лучей (кр ≈ 760 нм).

Дисперсия света – это явление, обусловленное зависимостью показателя преломления n от частоты (длины волны ) света или зависимостью фазовой скорости световых волн от их частоты (смотри приложение). Все среды, за исключением абсолютного вакуума, обладают дисперсией.

Абсолютным показателем преломления среды n называется физическая величина, определяемая отношением скорости света в вакууме с (с ≈ 3∙108 м/с) к фазовой скорости света в среде