Далее: Вращение плоскости Вверх: Лекция 16. Назад: Кристаллическая пластинка

Искусственное двойное лучепреломление

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. Опыт показывает, что эта разность пропорциональна напряжению $\sigma_{}$ в данной точке тела (т. е. силе, приходящейся на единицу площади; см. И.В.Савельев. §2.9 кн.1):

$$n_0 - n_e=k\sigma$$ (9)

($K_{}$ — коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества).

Поместим стеклянную пластинку $Q$ между скрещенными поляризаторами $P_{}$ и $P'$ (рис.7).

Рис. 7

Пока стекло не деформировано, такая система света не пропускает. Если же пластинку подвергнуть сжатию, свет через систему наминает проходить, причем наблюдаемая в прошедших лучах картина оказывается испещренной цветными полосами. Каждая такая полоса соответствует одинаково деформированным местам пластинки. 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.

Возникновение двойного лучепреломления в жидкости и в аморфных твердых телах под воздействием электрического поля было обнаруженном Керром ³ в 1875г. Это явление получило название эффекта Керра. В 1930г. этот эффект был наблюден также и в газах.

Схема установки для исследования эффекта Керра в жидкостях показана на рис.8.

Рис. 8

Установка состоит из ячейки Керра, помещенной между скрещенными поляризаторами $P_{}$ 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 $n_0$ и $n_e$ пропорциональна квадрату напряженности поля $E_{}$:

$$n_0-n_e=kE^2.$$ (10)

На пути $\ell$ между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает разность хода

$$\Delta= (n_0 - n_e)\ell = k\ell E^2$$

или разность фаз

$$\delta =\frac{\Delta}{\lambda_0}\cdot 2\pi = 2\pi\frac{k}{\lambda_0}\ell E^2.$$

Это выражение принято записывать в виде

$$\delta = 2\pi B\ell E^2,$$ (11)

где $B_{}$ — характерная для вещества величина, называемая постоянной Керра.

Из известных жидкостей наибольшей постоянной Керра обладает нитробензол
( $C_6H_5NO_2$). 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 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 около $10^{-10} c$. Поэтому ячейка Керра, помещенная между скрещенными поляризаторами, может служить практически безынерционным световым затвором. В отсутствие напряжения на пластинах конденсатора затвор будет закрыт. При включении напряжения затвор пропускает значительную часть света, падающего на первый поляризатор.

Далее: Вращение плоскости Вверх: Лекция 16. Назад: Кристаллическая пластинка