Штучна оптична анізотропія. Обертання площини поляризації

4. 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 Брюстер на кристалах кубічної системи, склі та ін.); електричного поля (рідини, аморфні тіла, гази) (Керр); магнітного поля (рідини, скло, колоїди) (Коттон, Мутон).

У згаданих випадках речовина набуває властивості одновісного кристала, оптична вісь якого збігається з напрямком, відповідно, деформації, 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.

Рис 10

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

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.

Рис 11

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.

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: , 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 без інерційний, 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, швидкісне фото - і кінознімання), в оптичній локації.

Штучну анізотропію можна створити теж дією магнітного поля, яка спостерігається в 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, що приводить до подвійного заломлення променів. 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 при цьому

 (19)

де - коефіцієнт пропорційності, а різниця фаз між звичайним і незвичайним променями становитиме

 (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.

Природна оптична активність була відкрита в 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 повертається вправо (за годинниковою стрілкою) для спостерігача, і лівим (від'ємним), якщо вона повертається 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 лівообертаючим кварцем. 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. Він залежить від природи речовини, від 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)

1.  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.