Искусственная анизотропия

В изотропном веществе свет распространяется по всем направлениям с одной скоростью. Постоянны и другие физические свойства – твердость, упругость, теплопроводность. Многие изотропные вещества состоят из анизотропных структурных элементов. Но вследствие того, что они ориентированы хаотически, в макроскопических масштабах анизотропия не проявляется. Если же к пластине такого материала приложить внешнее воздействие – сжать ее или изогнуть, – в нем возникнут деформации и появятся выделенные направления. Свойства вещества вдоль этих направлений и поперек них станут неодинаковыми, возникнет анизотропия. Световой луч в таком веществе расщепится на два луча, которые будут распространяться с разными скоростями. Более того: они будут поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях и взаимодействовать не будут.

Внешние воздействия, вызывающие анизотропию, могут проявляться и при механических деформациях, и в электрических, и в магнитных полях.

Анизотропия, возникающая при деформациях. Явление двойного лучепреломления при механических деформациях было открыто Зеебеком (1813 г.) и Брюстером (1815 г.). При одностороннем сжатии или расширении направление деформации становится выделенным и играет роль оптической оси. Для наблюдения этого явления исследуемый образец помещается между двумя скрещенными николями. При приложении нагрузки поле светлеет.

Оптические свойства деформированного таким образом тела соответствуют свойствам одноосного кристалла. Показатели преломления и , соответствующие колебаниям, совершаемым вдоль направления оптической оси и перпендикулярно к ней, максимально отличаются друг от друга. Опыт показывает, что разность , являющаяся мерой анизотропии, пропорциональна величине напряжения , то есть величине силы в расчете на единицу площади: .

Разность хода, приобретаемая лучами при прохождении слоя деформированного вещества толщиной , равна , и, следовательно, разность фаз , где – величина, характеризующая вещество. Разность показателей преломления может быть и положительной, и отрицательной в зависимости от материала. Анализатор, стоящий после пластины, «вырежет» две волны с одинаковым направлением колебаний вектора напряженности. А поскольку их породил один исходный луч, волны будут интерферировать. Малейшие изменения толщины пластинки и величины деформации в ней приводят к возникновению разности хода волн. Вследствие зависимости от при наблюдении в белом свете деформированного образца при скрещенных поляризаторах поверхность образца оказывается покрытой полосами разного цвета. Распределение окраски может служить качественным методом изучения распределения напряжений в прозрачных телах. В частности, этот метод с успехом применяют для обнаружения напряжений, возникающих в стеклянных изделиях, охлаждение которых производилось недостаточно медленно. Для непрозрачных материалов распределение напряжений исследуется с помощью моделей, изготовленных из прозрачных материалов.

Рис. 5.21 Фотография взята из статьи С. Транковского «Поляризованный свет»

В куске стекла, сжатом пассатижами, появятся цветные полосы, которые исчезают после снятия нагрузки. А в закаленном стекле, которое стоит в окнах автомобилей и вагонов, эти напряжения сохраняются и бывают заметны в виде многочисленных радужных пятен. Линейка из прозрачной пластмассы в поляризованном свете покрывается цветными полосами (рис. 5.21).

Поляризационные методы позволяют увидеть, как будет вести себя деталь при работе. Из органического стекла вырезают плоскую модель спроектированной детали и подвергают нагрузке, аналогичной реальной. Цветные полосы будут тем тоньше и расположатся тем гуще, чем выше концентрация напряжений; они укажут на области, с которых начнется разрушение детали.

Полный расчет напряжений затруднителен, поэтому метод в основном используется для качественных исследований. Однако и в таком виде он дает важные сведения, сильно сокращая работу по расчету новых конструкций.

Двойное лучепреломление в электрическом поле. Явление двойного лучепреломления под воздействием внешнего электрического поля было открыто Керром в 1875 г. и носит его имя. Схема наблюдения явления представлена на рис. 5.22.

Главные плоскости николей и составляют некоторый угол (лучше всего ) с направлением электрического поля. Если электрического поля нет, а николи скрещены, то свет не проходит. При наложении электрического поля вещество в ячейке Керра становится анизотропным, и свет, выходящий из нее, оказывается эллиптически поляризованным. Опыт показывает, что для монохроматического света данной длины волны разность пропорциональна квадрату напряженности электрического поля: . Величина зависит от рода вещества и его состояния. Разность хода, приобретаемая лучами в электрическом поле на пути , равна , а разность фаз , где , называется постоянной Керра. Сдвиг фаз пропорционален квадрату напряженности электрического поля и, следовательно, не зависит от его направления.

Численные значения для сильно отличаются для разных веществ. Для нитробензола при = 5 см и = 1 мм при напряжении = 1 500 В. Нитробензол имеет наибольшее значение , поэтому он находит широкое применение в различных технических устройствах. Для других жидкостей постоянная Керра значительно меньше, еще меньше она для газов.

Явление Керра представляет собой явление, теоретически изученное более глубоко, чем анизотропия при деформациях. Это объясняется тем, что явление Керра удалось наблюдать в газах, хотя первые наблюдения были сделаны для твердых тел и жидкостей.

Процессы поляризации молекул и их ориентация в электрическом поле происходят в течение очень короткого времени, поэтому эффект Керра практически безынерционен. Безынерционностью эффекта Керра обусловлено практическое применение этого явления в качестве быстродействующих фотозатворов и модуляторов света, управляемых кратковременными импульсами электрического поля. Керровский модулятор света, питаемый полем высокой частоты, позволяет осуществить прерываний света в секунду. Модуляторы и затворы на эффекте Керра применяются для управления режимом работы лазеров для получения сверхкоротких импульсов очень большой мощности, которые применяются для исследований в области нелинейной оптики.

Анизотропия в магнитном поле. Если анизотропные молекулы среды обладают постоянным магнитным моментом, то их преимущественная ориентация может быть вызвана магнитным полем. В достаточно сильных магнитных полях возникает анизотропия и связанное с ней двойное лучепреломление среды. Среда ведет себя подобно одноосному кристаллу, оптическая ось которого параллельна магнитному полю. Экспериментальная установка для исследования этого эффекта аналогична установке с ячейкой Керра. И законы обоих явлений аналогичны. Разность и соответствующая разность фаз , где и – постоянные, зависящие от свойств среды и ее физического состояния.

Эффект возникновения анизотропии под действием магнитного поля очень мал, но также может использоваться в устройстве фотозатворов и модуляторов света.

Это интересно!

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: