Читать онлайн «Физические эффекты и явления». Страница 41

В ряде таких эффектов поляризация света происходит без дополнительного воздействия на вещество. Так, например, естественный свет, отраженный под углом Брюстера, полностью линейно поляризованный (см."Отражение и преломление"), а правоциркулярно-поляризованный свет при перпендикулярном отражении от стеклянной пластинки превращается в левоциркулярно-поляризованный.

16.1. На границе анизотропных прозрачных тел (в первую очередь кристаллов) свет испытывает двойное лучепреломление т. е. расцепляется на два взаимно-перпендикулярно поляризованных луча, имеющие различные скорости распространения в среде обыкновенный и необыкновенный. Первый из них поляризован перпендикулярно оптической оси кристалла и распространяется в нем как в изотропной среде. Второй луч поляризован в главной плоскости кристалла и испытывает на себе все "превратности анизотропии". Так его коэффицент преломления изменяется с направлением, он преломляется даже при нормальном падении на кристалл.

Так происходит двулучепреломление в одноосных кристаллах. В случае двуосных кристаллов картина расщепления несколько сложнее (1-3,6,7,).

Эффект двойного преломления положен Николем в основу изобретенной им поляризационной призмы. Он использовал различие показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, создав для одного из них условия полного внутреннего отражения, после которого этот луч, изменив свое направление, поглощается зачерненной боковой гранью призмы. Другой луч полного внутреннего отражения не испытывает и проходит сквозь призму, а так как это полностью поляризованный луч, то на выходе призмы получается полностью линейно-поляризованный свет.

16.2. Механо-оптические явления.

Здесь рассматривается ряд эффектов, приводящих к возникновению оптической анизотропии под действием механических сил.

16.2.1. Фотоупругость - так называется возникновение в изотропных прозрачных твердых телах оптической анизотропии и связанного с ней двойного лучепреломления под действием механических нагрузок, создающих в твердых телах деформации.

При пропускании луча света через такое , пре, тело возникает два луча и различной поляризации,интерференция между которыми приводит к образованию интерференционной картины, вид кот позволяет судить о величинах и распределении напряжений в теле или же об изменениях структуры вещества. Поскольку оптичеспия обусловлена именно нарушениями первоначальной изотропной структуры вещества, то эффект фотоупругости позволяет визуализировать как упругие деформации, так и остаточные, а это значит , что о деформациях и нагрузках можно судить и после снятия этих нагрузок.

Фотоупругость наблюдается и в кристаллах, т.е. в веществах , уже обладающие анизотропией свойства. При этом изменяется характер анизотропии: например, в одноосном кристалле может возникнуть двойное преломление в направлении его оптической оси,вдоль которой он первоначально изотропен.

Эффект фотоупругости - один из самых тонких методов изучения структуры и внутренних напряжений в твердых телах (4)

А.С. N.249025: Способ оценки распределения контактных напряжений по величине деформации пластичной прокладки, располагаемой в зоне контакта между соприкасающимися поверхностями, отличающийся тем,что с целью повышения точности,в качестве пластичной прокладки используют пленку из оптически чувствительного материала, которую затем просвечивают поляризованным светом в направлении действия контактных сил и по картине полос судят о распределении контактных напряжений.

А.С. N.226811

Франция,заявка N.2189705

Япония,заявка N.49-16676.

США. патент N.3800594

16.2.2. Э ф ф е к т М а к с в е л л а .

Так называют возникновение оптической анизотропии (двойного лучепреломления) в потоке жидкости. Этот эффект обусловлен двумя причинами: преимущественно ориентации частиц жидкости или растворенного в ней вещества (полной ориентации мешает броуновское движение)и их деформацией, которые возникают под действием гидродинамических сил при относительном смещении прилежащих слоев жидкости, т.е. при наличии градиента скорости по сечению потока.В основном возникновение градиента скоростей в потоке определяется тормозящим воздействием стенок (например,трубы). Относительная роль ориентации и деформации частиц различна в различных жидкостях и зависит от свойств и структуры молекул: в случае длинных анизотропных частиц и молекул основную роль играет ориентация, для глобулярных изотропных - больший вклад дает информация,т.к. ориентация таких частиц в потоке незначительна.По сути дела,эффект Максвелла - это вариант эффекта фотоупругости для жидкостей. Отсутствие в жидкости напряжений упругой деформации компенсируется ее "динамизацией" ,приведением ее в движение,что создает деформацию отдельных молекул.

Величина эффекта Максвелла зависит, в частности от формы и размеров частиц,что позволяет использовать его для измерения этих величин. (5)

Практическое применение эффекта в основном лежит, в области тонких иследований фиологических объектов,таких,как определение размеров ряда вирусов,изучение структуры многих белковых молекул и др.

16.3. Электрооптические явления.

Так называют явления связанные прохождением света через среды, помещенные в электрическом поле.

16.3.1. Электрооптический эффект Керра.

Многие изотропные вещества, помещенные в электрическое поле, приобретают свойства одноосных кристаллов, т.е. обнаруживают оптическую анизотропию, приводящую к двойному лучепреломлению света, проходящего через вещество перендикулярно направлению поля. При этом величина двойного лучепреломления пропорциональна квадрату напряженности поля и ее знак не меняется при изменении направления поля на обратное. (другие названия эффекта: квадратичный электрооптический эффект, поперечный эл. опт. эффект).

Величина эффекта зависит от вещества, его температуры и длины волны света. В газах эффект Керра мал, а в жидкостях его величина гораздо больше. Аномально сильно он проявляется в нитробензоле и подобных ему жидкостях.

Наиболее часто указанный эффект реализуется в т.н.электрооптических затворах Керра. Прозрачную кювету с электродами для создания поля, заполненную нитробензолом, помещают между скрещенными поляризатором и анализатором таким образом, что направление поля составляет угол 45 градусов с их главными плоскостями поляризации. Если поле отсутствует, такое устройство не прозрачно для света. При наложении поля, линейно поляризованный свет при прохождении через кювету расцепляется на два перепендикулярно поляризованных луча, имеющих в пределах кюветы различные скорости распространения. При этом между ними возникает разность фаз, что приводит к эллиптической поляризации света, вышедшего из кюветы. При этом часть его проходит через анализатор. Затвор открыт (6). Высокая скорсть срабатывания такого затвора (10 в минус 11 степени сек.) обусловило его применением в исследованиях быстропротекающих процессов и для высокочастотной (до 10 в 9 степени Гц) модуляция оптических сигналов. Применение эффекта дает хорошие результаты и в том случае, когда требуется безинерционное пространственная модуляция света (отклонение луча, его расщепление и т.п.). Взаимосвязь через эффект Керра двух полей - электрического и оптического - позволяет применять его для дистанционного измерения электрических величин оптическими методами.

Еще два примера применения эффекта Керра:

А.с. 235 350: Оптическая система с управляемым фокусным расстоянием, отличающийся тем, что с целью безинерционного изменения фокусного расстояния она выполнена ввиде цилиндрического рабочего тела из вещества, обладающего электрооптическим эффектом, помещенного внутрь, например, шестипольного конденсатора, электрическое поле которого создает такое распределение показателя преломления в веществе рабочего тела, что падающий на его торец параллельный пучек света собирается в фокусе, положение которого на оси системы зависит от приложенного конденсатору напряжения.

А.с. 464 792: Устройство для измерения температуры содержащее источник света, пластины из матированного прозрачного материала, пространстве между которыми заполненно жидкостью с близким поастинам показателем преломления и различным по знаку или величине температурным коэффициентом показателя преломления, отличающееся тем, что с целью расширения диапазона измерений, в него введены, прозрачные электроды, выполненные, например, на основе пленок окиси олова, нанесенные снаружи на плстины, подключенные к истичнику питания, а в качестве жидкости заполняющей пространство между пластинами использован нитробензол.

Значительным квадратинным электрооптическим эффектом обладают и некоторые кристаллы (КТ Ват )

А.с. 497 547: Способ углового отклонения светового луча, преломленного на границе раздела двух сред путем изменения показателя преломления одной или обеих сред с использованием электрооптического эффекта, отличающийся тем, что с целью управления углом отклонения, достижения при малой инерционности и быстродействия плоско-поляризованный луч света направляют на крисчталлы, которые размещают в переменном по знаку и величине электростатическом поле т ориентируют таким образом, что главные оси сечений их оптических индикаторисс нормальными к лучу плоскостными совпадают с направлениями колебаний поляризованного света и изменяются на разные по знаку величины при наложении электростатического поля на оба кристалла.