Штучна оптична анізотропія. Обертання площини поляризації

Подвійне променезаломлення спос­терігається в природних анізотропних се­редовищах. Існують різні способи отри­мання штучної оптичної анізотропії, тобто надання оптичної анізотропії при­родно ізотропним речовинам.

Оптично ізотропні речовини стають оптично анізотропними під дією :

– одностороннього стиску або розтягу (дослідження проводив Брюстернакристалах кубічної системи, склі та ін.);

– електричного поля (рідини, аморфні тіла, гази) (Керр);

– магнітного поля (рідини, скло, колої­ди) (Коттон, Мутон).

У згаданих випадках речовина набуває властивостей одновісного кристала, оптична вісь якого збігається з напрямком дії механічної деформації або дії електричного чи магніт­ного полів.

Мірою оптичної анізотропії служить різниця показників заломлен­ня звичайного і незвичайного променів у напрямку, перпендикулярному до оптичної осі.

Оптичну анізотропію, яка виникає під впливом деформації, можна виявити, якщо помістити досліджуване тіло А між поляризатором ρ і аналізатором а, які схрещені між собою (рис.10). Доки тіло не деформоване, така система світла не пропускає.

При односторонньому стиску або розтязі тіла вздовж напрямку ОО в ньому виникає оптична анізотропія, яка еквівалентна ані­зотропії одновісного кристала з оптичною віссю ОО. Звичайний і незвичайний про­мені будуть поширюватися в напрямку, який перпендикулярний до ОО, із різними швидкостями υ₀ і υ_е.

Рис. 10

Якщо головний пе­реріз поляризатора не паралельний і не перпендикулярний до ОО, то світло, яке пройшло через деформоване тіло, стане еліптично поляризованим і його не можна погасити аналізатором.

Різниця коефіцієнтів заломлення може служити мірою анізотропії. Досліди показують, що різниця пропорційна напрузі σ в даній точці тіла:

(15)

де - коефіцієнт пропорційності, який залежить від властивостей речовини.

Різ­ниця фаз, яку матимуть звичайний і незви­чайний промені, пройшовши тіло завтов­шки l, дорівнює

, (16)

де – довжина хвилі світла у вакуумі;

– новий коефіцієнт пропорційності.

Явище штучної оптичної анізотропії при деформаціях використовують для ви­явлення внутрішніх залишкових деформацій, які можуть виникати у виробах зі скла та інших прозорих ізотропних матеріалів внаслідок порушення технології їх виго­товлення. Оптичний метод вивчення на прозорих моделях розподілу внутрішніх напруг у різних деформованих частинах машин і споруд широко застосовують у су­часній техніці. Для цього використовують моделі, виготовлені з целулоїду або іншої ізотропної речовини.

Оскільки величина оптичної анізо­тропії пропорційна напрузі σ, то за виг­лядом смуг однакового кольору, які виникають при спостереженні моделі між схрещеними ніколями, можна зробити висновок про величину залишкових деформацій.

Оптична анізотропія може виникнути також і в рідині під впливом зовнішніх дина­мічних впливів. Виникнення оптичної ані­зотропії в потоці рідини може бути використане для вивчення властивостей полімерів і пластмас.

У 1875р. Д. Керр виявив, що рідкий або твердий ізотропний діелектрик, вміще­ний у дуже сильне однорідне електричне поле, стає оптично анізотропним. Це яви­ще називають ефектом Керра. Принци­пову схему спостереження цього явища в рідинах зображено на рис.10, де Р і а -поляризатор і схрещений з ним аналізатор (рис.11).

Між ними розміщена кювета з конденса­тором (комірка Керра), між пластинами якого знаходиться досліджувана рідина. За відсутності електричного поля світло через систему не проходить.

Досліди показали, що під дією одно­рідного електричного поля в плоскому конденсаторі рідина набуває властивостей одновісного двозаломлюючого кристала, оптична вісь якого збігається з напрямком вектора напруженості електричного поля конденсато­ра. Різниця показників заломлення рідини для звичайного і незвичайного променів монохроматичного світла в напрямку, який перпендикулярний до вектора , пропор­ційна :

(17)

де - коефіцієнт пропорційності.

Рис. 11

Якщо довжина шляху променів між обкладками конденсатора l, то різниця фаз між звичайним і незвичайним променями буде дорівнювати

, (18)

де - стала Керра, яка залежить від природи речовини, довжини хвилі , тем­ператури і швидко зменшується з її збіль­шенням.

Часто користуються іншою кон­стантою Керра К, яка пов'язана з В спів­відношенням

,

де n – абсолютний показник заломлення речовини за відсутності електричного поля.

У 1930 р. було виявлено існування ефекту Керра і в газах. Трудність спосте­реження цього явища пов'язана з тим, що значення В для газів на кілька порядків менше ніж для рідин.

Для більшості речовин , тобто ці речовини за своїми оптичними властивостями в однорідному електричному полі подібні до оптично позитивних одновісних кристалів. Є речовини, для яких B<0.

Ефект Керра пояснюється різною поляризацією молекул за різними напрям­ками. За відсутності поля молекули орієнтовані довільно, тому рідина в цілому не виявляє анізотропії. Під дією поля моле­кули повертаються так, щоб в напрямі по­ля були орієнтовані або їх дипольні елек­тричні моменти (у полярних молекул), або напрям найбільшої поляризації (у неполяр­них молекул). В результаті речовина стає оптично анізотропною.

Ефект Керра практично безінерційний, тобто перехід речовини з ізотропного стану в анізотропний (і назад) при вмикан­ні поля становить с. Тому цей ефект може бути ідеальним світловим затвором і застосовується в швидко­плинних процесах (звукозапис, відтворен­ня звуку, швидкісні фото - і кінозніман­ня), в оптичній локації.

Штучну анізотропію можна створити також дією магнітного поля, яка спостерігається у речовинах, молекули яких анізотропні, тобто в парамагнетиках. За відсутності зовнішнього магнітного по­ля молекули розміщуються хаотично, ре­зультатом чого є статистична анізотропія. Якщо таку речовину помістити в досить сильні магнітні поля, то відбудеться напрямлена орієнтація власних магнітних моментів молекул. Це зумовлює анізотро­пію речовини, яка приводить до подвій­ного променезаломлення. Таке середови­ще поводить себе як одновісний кристал, оптична вісь якого паралельна вектору ін­дукції поля . Це явище називається яви­щем Коттона-Мутона, або магнітооптич­ним. Різниця показників заломлення сере­довища в цьому випадку дорівнює

, (19)

де - коефіцієнт пропорційності.

Різни­ця фаз між звичайним і незвичайним про­менями дорівнює

(20)

де - стала, яка залежить від природи речовини, довжини хвилі світла і температури.

У кристалічних тілах, а також у деяких ізотропних рідинах, крім подвій­ного заломлення променів, спостерігається явище, яке полягає в тому, що площина коливань електричного вектора світлової хвилі повертається на деякий кут при проходженні світла крізь такі речовини. Це явище називається обертанням площини поляризації або оптичною активністю. Якщо речовина не знаходиться у зовніш­ньому магнітному полі, то оптична актив­ність буде природною.

Природну оптичну активність відкрив у 1811 р. Д. Араго на пластинках кварцу, вирізаних перпендикулярно до оп­тичної осі.

Прийнято визначати напрям обер­тання площини поляризації відносно спо­стерігача, погляд якого спрямований на­зустріч падаючому променю. Обертання називають правим (додатним), якщо пло­щина поляризації обертається вправо (за годинниковою стрілкою) для спостерігача, і лівим (від'ємним), якщо вона оберта­ється вліво.

Експериментально встановлено, що в природі існує два типи кристалів кварцу, які є дзеркальним відображенням один одного. Перші обертають площину поляриза­ції вправо, другі – вліво і відповідно нази­ваються право- і лівоповоротним кварцом. Кут обертання площини поляризації про­порційний товщині шару оптично активної речовини і для монохроматичного світла, довжина світлової хвилі якого визна­чається формулою

, (21)

де l – довжина шляху променя в оптично активному середовищі;

а – коефіцієнт пропорційності, який називають оберталь­ною здатністю, або питомим обертанням.

Коефіцієнт пропорційності залежить від природи речовини, температури та довжини хвилі і дорівнює величині кута, на який повертається пло­щина поляризації монохроматичного світ­ла при проходженні шару завтовшки l м.

Для оптично активних рідин та роз­чинів Ж. Біо у 1831 р. встановив, що кут повороту площини поляризації прямо про­порційний товщині шару l і концентрації С оптично активної речовини, тобто

, (21)

де - коефіцієнт пропорційності, який називається питомим обертанням розчи­ну.

Коефіцієнт залежить від природи оптично активної речовини і розчинника, температури та довжини хвилі світла.

Біо також експериментально вста­новив наближену залежність величини від довжини хвилі

. (22)

Властивості оптичної активності розчинів дають змогу визначити їх концен­трації. Прилади, за допомогою яких про­водять такі вимірювання, називаються поляриметрами. Оскільки для розчину цукру питоме обертання значне, то поляриметри набули широкого застосуван­ня в медичній практиці й техніці.