Искусственная оптическая анизотропия кратко

Обновлено: 02.07.2024

Искусственная оптическая анизотропия в оптически изотропных телах вызывается их деформацией. При одностороннем сжатии ( растяжении) кристалл становится оптически одноосным. Направление сжатия ( растяжения) является оптической осью. [1]

Искусственная оптическая анизотропия в оптически изотропных жидкостях вызывается наложением на них сильных электрических полей. Двойное лучепреломление в этом случае называется эффектом Керра. Действие электрического поля на жидкость заключается в преимущественном ориентировании полярных молекул диэлектриков ( стр. [2]

Искусственная оптическая анизотропия проявляется при нагружении прозрачных образцов и может наблюдаться в виде интерференционной картины в поляризованном свете с помощью оптических приборов, называемых полярископами. Естественный свет можно представить в виде множества линейно поляризованных компонент Vt с различными направлениями колебаний. Поляризатор П пропускает компоненты колебаний только одного направления Vn, параллельного его оси пропускания, и свет после поляризатора становится плоско поляризованным. [3]

Явление искусственной оптической анизотропии при деформациях используется для обнаружения остаточных внутренних напряжений, которые могут возникать в изделиях из стекла и других прозрачных изотропных материалов вследствие несоблюдения технологии их изготовления. Оптический метод изучения на прозрачных моделях распределения внутренних напряжений в различных непрозрачных частях машин и сооружений широко применяется в современной технике. [4]

Метод фотоупругости - широко применяющийся оптический экспериментальный метод исследования напряженного состояния, в котором используется искусственная оптическая анизотропия , возникающая в прозрачных диэлектриках при приложении нагрузки. В отличие, например, от метода каустик, который применяется только при исследовании напряженного состояния тел с трещинами, метод фотоупру-гости имеет значительно более широкий диапазон использования. [8]

Метод фотоупругости ( поляризационно-оптический метод) широко применяется для исследования напряжений на моделях, изготовленных из прозрачных материалов, обладающих свойством искусственной оптической анизотропии по различным направлениям. Наиболее распространенными материалами в методе фотоупругости являются оптически чувствительные полимеры на основе эпоксидных смол. [9]

Электрическое двойное лучепреломление ( эффект Керра), магнитное двойное лучепреломление ( эффект Коттона-Мутона) и наконец, динамическое двойное лучепреломление ( эффект Максвелла) - все это связано с возникновением искусственной оптической анизотропии в растворах полимера. Указанные явления поэтому используют для определения структурных характеристик индивидуальных макромолекул в разбавленном растворе. [10]

Описанное явление представляет собой искусственное двойное лучепреломление в намагниченном феррите. Оно подобно эффекту Керра - искусственной оптической анизотропии , вызываемой в жидкостях постоянным электрическим полем, и эффекту Коттона-Му - тона - двойного лучепреломления в жидкости под действием постоянного магнитного поля. [11]

Исследования показали, что при обычных условиях газообразные, жидкие и аморфные твердые диэлектрики оптически изотропны. В то же время почти все кристаллические диэлектрики оптически анизотропны. Оказалось также, что под влиянием внешних воздействий среда, бывшая оптически изотропной, может стать оптически анизотропной. Это явление называется искусственной оптической анизотропией . [12]

Исследования показали, что при обычных условиях газообразные, жидкие и твердые аморфные диэлектрики оптически изотропны. В то же время почти все кристаллические диэлектрики оптически анизотропны. Оказалось также, что под влиянием внешних вЪздействий среда, бывшая оптически изотропной, может стать оптически анизотропной. Это явление называется искусственной оптической анизотропией . [13]

Исследования показали, что при обычных условиях газообразные, жидкие и твердые аморфные диэлектрики оптически изотропны. В то же время почти все кристаллические диэлектрики оптически анизотропны. Оказалось также что под влиянием внешних воздействий среда, бывшая оптически изотропной, может стать оптически анизотропной. Это явление называется искусственной оптической анизотропией . [14]

Двойное лучепреломление может возникать в прозрачных изотропных телах и кристаллах кубической системы под влиянием различных воздействий. Мерой возникающей оптической анизотропии может служить разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей

При одностороннем сжатии или растяжении кристаллов кубической системы или изотропных прозрачных твердых тел (стекло и др.) оптические свойства тела подобны оптическим свойствам одноосного кристалла, направление оптической оси которого совпадает с направлением деформации. Максимальное различие в показателях преломления обыкновенного и необыкновенного лучей соответствует направлению, перпендикулярному к оптической оси, и зависит от степени деформации:

где – нормальное напряжение, – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств тела. На этом основан поляризационно-оптический метод оценки механических напряжений в твердых телах.

В 1875 г. Керр обнаружил возникновение анизотропии у жидких диэлектриков под действием электрического поля. Эффект Керра – квадратичный электрооптический эффект, возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах (газах, жидкостях, кристаллах с центром симметрии, стёклах) под действием внешнего однородного электрического поля. Оптически изотропная среда, помещенная в электрическое поле, становится анизотропной, приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого направлена вдоль поля. Для монохроматического света, распространяющегося в веществе в направлении, перпендикулярном к вектору напряженности внешнего однородного электрического поля , между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает разность показателей преломления

где – коэффициент пропорциональности, ─ длина волны в вакууме, ─ постоянная Керра, зависящая от природы и температуры вещества, длины волны.

Эффект Керра объясняется оптической анизотропией молекул вещества, т.е. различной поляризуемостью молекул по разным направлениям. В отсутствие поля молекулы ориентированы хаотично, вещество в целом не обнаруживает анизотропии. Под действием электрического поля молекулы поворачиваются так, чтобы в направлении поля были ориентированы их дипольные электрические моменты (у полярных молекул) или направления наибольшей поляризуемости (у неполярных молекул). В результате вещество становится анизотропным.

Ячейка Керра представляет собой сосуд с жидкостью в который помещены пластины конденсатора. Ячейка помещается между скрещенными поляризатором и анализатором. Если к конденсатору приложить напряжение, то диэлектрик становится анизотропным, в нем возникает двойное лучепреломление и будет наблюдаться интерференционная картина. Время установления или исчезновения преимущественной ориентации молекул жидкости составляет около 10 -10 с, поэтому ячейка Керра может служить безынерционным световым затвором.

Эффект Коттона-Мутона– один из эффектов магнитооптики, заключающийся в возникновении двойного лучепреломления у изотропных веществ (жидкостей, стекол, коллоидов), под действием сильного однородного внешнего магнитного поля. Направление оптической оси совпадает с направлением магнитного поля. При распространении света в направлении, перпендикулярном к оптической оси, разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей зависит от напряженности магнитного поля :

где – постоянная Коттона-Мутона, зависящая от природы среды, длины волны и температуры. Эффект Коттона-Мутона является следствием взаимодействия магнитного поля с электронами в атоме, носителями заряда в полупроводниках, которые определяют исходные оптические свойства вещества.

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 (рис. 11.14).

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 (рис. 11.15).

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.

Оптически изотропные вещества становятся оптически анизотропными под действием: 1) одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической системы, стекла и др.); 2) электрического поля (эффект Керра*; жидкости, аморфные тела, газы); 3) магнитного поля (жидкости, стекла, коллоиды). В перечисленных случаях вещество приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением деформации, электрического или магнитного полей соответственно указанным выше воздействиям.

* Д. Керр (1824—1904) — шотландский физик.

Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси:

где k ₁, k ₂, k ₃ — постоянные, характеризующие вещество, s — нормальное напряжение (см. § 21), Е и Н — соответственно напряженность электрического и магнитного полей.

На рис. 284 приведена установка для наблюдения эффекта Керра в жидкостях (установки для изучения рассмотренных явлений однотипны). Ячейка Керра — кювета с жидкостью (например, нитробензолом), в которую введены пластины конденсатора, помещается между скрещенными поляризатором Р и анализатором А. При отсутствии электрического поля свет через систему не проходит. При наложении электрического поля жидкость становится двояко преломляющей; при изменении разности потенциалов между электродами меняется степень анизотропии вещества, а следовательно, и интенсивность света, прошедшего через анализатор. На пути l между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает оптическая разность хода

(с учетом формулы (195.1)) или соответственно разность фаз

где B = k ₂/ l — постоянная Керра.

Эффект Керра — оптическая анизотропия веществ под действием электрического поля — объясняется различной поляризуемостью молекул жидкости по разным направлениям. Это явление практически безынерционно, т. е. время перехода вещества из изотропного состояния в анизотропное при включении поля (и обратно) составляет приблизительно 10 –10 с. Поэтому ячейка Керра служит идеальным световым затвором и применяется в быстропротекающих процессах (звукозапись, воспроизводство звука, скоростная фото- и киносъемка, изучение скорости распространения света и т. д.), в оптической локации, в оптической телефонии и т. д.

Искусственная анизотропия под действием механических воздействий позволяет исследовать напряжения, возникающие в прозрачных телах. В данном случае о степени деформации отдельных участков изделия (например, остаточных деформаций в стекле при закалке) судят по распределению в нем окраски. Так как применяемые обычно в технике материалы (металлы) непрозрачны, то исследование напряжений производят на прозрачных моделях, а потом делают соответствующий пересчет на проектируемую конструкцию.

1. Оптическая анизотропия при механических деформациях тел. Возникает в прозрачных аморфных телах, а также в кристаллах кубической системы. Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Опыт показывает, что эта разность пропорциональна напряжению σв данной точке тела

(k — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества) .

Пока стекло не деформировано, такая система света не пропускает.

Следовательно, по расположению полос можно судить о распределении напряжений внутри пластинки. На этом основывается оптический метод исследования напряжений. Изготовленная из прозрачного изотропного материала (например, из плексигласа) модель какой-либо детали или конструкции помещается между скрещенными поляризаторами. Модель подвергается действию нагрузок, подобных тем, какие будет испытывать само изделие. Наблюдаемая при этом в проходящем белом свете картина позволяет определить распределение напряжений, а также судить об их величине.

2. Возникновение двойного лучепреломления под действием электрического поля(эффект Керра).

Это явление наблюдается в жидкостях и в аморфных твердых телах.

Под действием поля жидкость приобретает свойства одноосного кристалла с оптической осью, ориентированной вдоль поля.

Возникающая разность показателей преломления п₀ и п_е пропорциональна квадрату напряженности поля Е:

На пути lмежду обыкновенным и необыкновенным лучами возникает разность фаз

где В - характерная для вещества величина, называемая постоянной Керра.

Из известных жидкостей наибольшей постоянной Керра обладает нитробензол. Постоянная Керра зависит от температуры вещества и от длины волны света.

Эффект Керра объясняется различной поляризуемостью молекул по разным направлениям. В отсутствие поля молекулы ориентированы хаотическим образом, поэтому жидкость в целом не обнаруживает анизотропии.

Под действием поля молекулы поворачиваются так, чтобы в направлении поля были ориентированы либо их дипольные электрические моменты (у полярных молекул), либо направления наибольшей поляризуемости (у неполярных молекул). В результате жидкость становится оптически анизотропной.

Ориентирующему действию поля мешает тепловое движение молекул. Этим обусловливается уменьшение постоянной Керра с повышением температуры.

Время, в течение которого устанавливается (при включении поля) или исчезает (при выключении поля) преимущественная ориентация молекул, составляет около 10 -10 с. Поэтому ячейка Керра, помещенная между скрещенными поляризаторами, может служить практически безынерционным световым затвором.

Принцип действия затвора:

При E=0 ячейка изотропна (δ=0) и свет сквозь анализатор не проходит. По мере увеличения E интенсивность света, проходящего через анализатор, увеличивается и достигает максимума при значении ,соответствующем δ=π.

Читайте также: