ФИЗИКА

5.4.4. Искусственная оптическая анизотропия

В прозрачных аморфных телах, а также в кристаллах кубической системы может возникать двойное лучепреломление под влиянием внешних воздействий. В частности, это происходит при механических деформациях тел. Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей. Экспериментально установлено, что эта разность пропорциональна напряжению σ в данной точке тела (т.е. силе, приходящейся на единицу площади):

(5.4.6)

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

Поместим стеклянную пластинку Q между скрещенными поляризаторами Р и P' (рис. 5.4.11). Пока стекло не деформировано, такая система света не пропускает. Если же пластинку подвергнуть сжатию, то свет через пластинку начинает проходить, причём наблюдаемая в прошедших лучах картина оказывается испещрённой цветными полосами. Каждая полоса соответствует одинаково деформированным местам пластинки. Следовательно, по расположению полос можно судить о распределении напряжений внутри пластинки. На этом основывается оптический метод исследования напряжений.

В 1875 г. Керром было обнаружено возникновение двойного лучепреломления в жидкостях и в аморфных твёрдых телах под воздействием электрического поля. Это явление получило название эффекта Керра. Позже этот эффект был наблюдён и в газах. На рис. 5.4.12 показана схема установки для исследования эффекта Керра в жидкостях. Установка состоит из ячейки Керра, помещённой между скрещенными поляризаторами Р и P'. Ячейка Керра представляет собой герметический сосуд с жидкостью, в которую введены пластины конденсатора. При подаче на пластины напряжения между ними возникает практически однородное электрическое поле. Под его действием жидкость приобретает свойства одноосного кристалла с оптической осью, ориентированной вдоль поля.

Возникающая разность показателей преломления n0 и ne пропорциональна квадрату напряжённости поля Е:

(5.4.7)

На пути ℓ между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает разность хода

или разность фаз

или

(5.4.8)

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

Наибольшей постоянной Керра обладает нитробензол (C6H5NO2). Постоянная Керра зависит от температуры вещества и длины волны света.

Эффект Керра объясняется различной поляризуемостью молекул по разным направлениям. В отсутствие поля молекулы ориентированы хаотически, 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 анизотропной. Ориентирующему действию поля противится 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 10-13-10-10 с. Поэтому ячейка Керра, помещённая между скрещенными поляризаторами, может служить практически безынерционным световым затвором. В отсутствие напряжения на конденсаторе затвор будет закрыт. При включении напряжения затвор пропускает значительную часть света, падающего на первый поляризатор.

Ячейка Керра применяется в скоростной фото- и киносъёмке, в оптической телефонии, в схемах для управления лазерами и т.д.

к к к