Страница:
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.
Эффект Керра, вызванный электрическим полем световой волны называется высокочастотным. Он проявляется в том, что для мощного излучения показатель преломления жидкости зависит от интенсивности света т.е. среда становится нелинейной, что для интенсивных лазерных пучков приводит к самофокусировке (см. эффекты нелинейной оптики)(6).
16.3.2. ЭФФЕКТ ПОККЕЛЬСА.
Возникновение двойного лучепреломления в кристалле при наложении электрического поля в направлении распространения света называется эффектом Поккальса. При этом величина разности фаз расщепленных лучей пропорциональна первой степени напряженности поля (линейный электрооптический эффект, а также продольный электрооптический эффект). Наиболее ярко эффект реализуется в кристалле дигидрофосфата калия (КДР).
Эффект Поккельса по сравнению с эффектом Керра имеет меньшую зависимость от температуры. Применение этих эффектов аналогичны (затворы вращатели плоскости поляризации, индикаторы электрического поля, модуляторы света).
А.с. 440 606: Оптико-электронное устройство для измерения мощности, содержащее монохротический источник излучения, магнитооптическую ячейку Фарадея с поляризатором и анализатором, фотоприемник и усилитель с нагрузкой в выходной цепи, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения, оно снабжено последовательной цепочкой элементов состоящей из четвертьволновой пластины, электрооптической ячейки Поккельса и дополниельного анализатора, установленной между анализатором ячейки Фарадея и фотоприемником.
А.с. 398 153: Модулятор света, включающий в полупроводниковую структуру генерирующую в домены сильного поля, боковая поверхность или часть боковой поверхности, которая покрыта диэлектриком, отличающийся тем, что с целью расширения частотного диапазона модулируемого излучения, уменьшение потерь и увеличение коэффициента модуляции, диэлектрическое покрытие выполнено из материала с константой электрооптического эффекта большей, чем у материала полупроводниковой структуры.
16.4. Магнитооптические явления.
К ним относят группу явлений, связанных с прохождением электромагнитного излучения через вещества помещенные в магнитном поле.
16.4.1. Эффект Фарадея.
Если линейно-поляризованный свет проходит через вещество помещенное в магнитное поле, вектор напряженности которого совпадает с напряжением распространения света, то плоскость поляризации света поварачивается на некоторый угол. Этот угол пропорционален длине пути света в веществе и напряженности поля, и обратно пропорционален квадрату длины волны. Зависит он от свойств вещества. Так, он сильно изменяется вблизи линий поглощения данного вещества. особенно сильный эффект наблюдается в тонких прозрачных пленках железа, никеля и кобальта. При прохождении света в прямом и обратном направлении углы поворота вследствии эффекта Фарадея не компенсируются, а суммируются, в отличии от естественного вращения поляризации в некоторых веществах. Диамагнетики в магнитном поле всегда обнаруживают положительное вращения (т.е. вращение по часовой стрелке, если смотреть по направлению поля), пара и ферромагнетики - отрицательные.
А.с. 491 916: Позиционно-чувствительный датчик с магнитооптической модуляцией, содержащий поляризатор, анализатор и ячейку Фарадея, отличающийся тем, что с целью повышения чевствительности, магнитооптический активный элемент ячейки Фарадея выполнен из составных двух частей, например, призм с противоположным по знаку постоянными Верде, расположенных в симметрично относительно оптической оси системы.
Природа эффекта обьясняется различным влиянием магнитного поля на скорость распространения в веществе првоциркулярно и левоциркулярно поляризованных световых волн, в результате чего между ними накапливается разность фаз, приводящая при их сложении к возникновению волн с повернутой плоскостью поляризации (8).
Как обычно, возможные применения вытекают из физической сущности эффекта;управление поворотом плоскости поляризации с помощью магнитного поля или же измерение магнитных полей по углу поворота плоскости поляризации.
А.с. 412 698: Оптический квантовый генератор, содержащий задающи генератор, оптический квантовый усилитель и установленные между ними согласующее устройство, отличающеесятем, что с целью улучшения однородности пучка без уменьшения его мощности, согласующее устройство выполнено ввиде расположенного между двумя поляризаторами элемента, обладающего измеряющейся по радиусу вращательной способностью.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестые названного элемента использован вращатель Фарадея, выполненный ввиде цилиндра из свинцового стекла установленного в соленоиде.
А.с. 479 147: Устройство магнитооптического воспроизведения информации с магнитного носителя, содержащее источник плоскополяризованного света, анализатор, фотоприемник и магнитную головку, отличающееся тем, что с целью повышения чувствительности, его магнитная головка снабжена магнитооптическим кристаллом установленным на участке заднего зазора, расположенным на одной линии между источником плоскополяризованного света и анализатором пучка этого света.
Часто эффект Фарадея используют для создания невзаимных элевентов т.е. устройств, пропускающих излучение только в определенном направлении (6).
Оптический вентель состоит из двух поляризаторов, скрещенных под углом 45 градусов и элемента Фарадея, помещенного между ними. Элемент расчитан так, что вращая плоскость поляризации света на 45 градусов, и свет проходит через второй поляризатор. Луч, идущий в обратном направлении, вращается в ту же сторону, что и прямой луч и оказывается повернутым на 90 градусов относительно первого поляризатора, и значит не пропускается им. В частноссти такие вентили используют в лазерах бегущей волны и и в оптических усилителях.
В СВЧ-технике для создания вентилей, фазовращателей и циркуляторов широко исполуют эффект Фарадея на ферритах, которые практически прозрачны для электромагнитных волн этого диапазона (дици-санти и миллиметровые радиоволны).
16.4.2. Существует и так называемый обратный эффект Фарадея - возникновение в среде магнитного поля под действием мощного циркулярнополяризованного света, вызывающего циркулярное движение электронов (1).
16.4.3. Частным случаем эффекта Фарадея является магнитооптический эффект Керра - при отражении под любым углом, в том числе и по нормали к поверхности, линейнополяризованного света от намагниченного ферромагнитика возникает элептическиполяризованный свет. Фактически, магнитооптический эффект Керра это вращение плоскости поляризации части излучания в тонком поверхностном слое ферромагнитика в магнитном поле.
Магнитооптическая установка для автоматической записи магнитных характеристик ферромагнетика, в которой использование магнитооптического эффекта Керра позволяет снимать кривые намагничивания и дистеризиса на учатках поверхности размером 1 мк2. (приборы и техника эксперимента, 1973,нр-5, стр. 215-217)
16.4.4. При распространении света в веществе перпендикулярно магнитному полю возникает двойное лучепреломление, величина которого пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля. (ээфект Коттона-Муттона).
Наложение сильного магнитного поля ориентирует хаотически расположенные молекулы (если последние имеют постоянный магнитный момент), что и приводит к оптической анизотропии. Этот эффект много слабее, чем электрооптических эффект Керра, а в технике применяется редко.
Механизм всех магнитооптических явлений тесно связан с механизмом прямого и обращенного эффекта Зеемана.
16.4.5. Прямой (обращенный) эффект Зеемана состоит в расщеплении спектральных линий испускаемого (поглощаемого) излучения под действием магнитного поля на излучающее (поглощающее)вещество. При этом неполяризованное излучение с частотой направления поля расщепляется на два компанета (линии) с частотами и , первая из которых поляризована по левому кругу, а вторая по правому. В направлении же перпендикулярном поля расщепление имеет такой характер: имеется при линейном-поляризованные компоненты с чатотамти.
Крайние компоненты поляризованны перпендикулярно магнитному полю средние же, с неизхменной частотой поляризованна вдоль поля и по интенсивности вдвое привосходит соседние. Величина смещения частоты пропорциональна индукции магнитного поля. Эффект Зеемана обусловлен расщеплением в магнитном поле энергетических уровней атомов или молекул на подурони, между которыми возможны квантовые переходы.
ФРГ патент 1 287 836: Кольцевой лазер для определения скорости вращения имеет трубу и отражательные зеркала, которые создают замкнутый оптический контур, включающий ось лазера, а также средства с помощью которых световые лучи обособляются и накладываются, циркулируя в оптическом контуре в противоположных направлениях. Лазер отличается тем, что предусмотрено устройство служащее для воздействия на трубу лазера осевого магнитного поля таким образом, что в соответствие с эффектом Зеемана, создается два луча с противоположной круговой поляризацией. Предусмотрено устройство, которое обеспечивает поступательное движение только одного такого луча в каждом направлении вдоль оптического контура.
США патент 3 796 499: Аппарат предназначен для реализации способа определения концентрации парамагнитного материала в газовой смеси. Образец смеси подвергают воздействию магнитного поля средней напряженности и освещают лазерным излучением постоянной частоты. Магнитное поле энергетическими уровнями в парамагнитном материале до величины, соответствующей условию резонансас лазерным излучением. Для количественной корреляции вариации интенсивности лазерного излучения, проходящего через смесь, как функция напряженности магнитного поля используют стандартные процедуры детектирования. В случае окиси азота способ достаточно чувствителен, чтобы обнаруживать концентрации, значительно меньше, чем одна часть на миллион.
В заключении отметим, что механизм эффекта Фарадея, по сути дела, обусловлен обращенным эффектом Зеемана. Им же обьсняется избирательное поглощение радиоволн парамагнитными телами, помещенными в магнитное поле (см. "Электронный парамагнитный резонанс") (1,6,7,9).
16.5.Существует ряд явлений,при которых оптическая анизотропия в среде вызывается воздействием из нее энергии светового излучения.Кним относится эффект фотодихроизма,а также поляризация люминесценции.
16.5.1. Дихроизм - это зависимость величины поглощения телами света от его поляризации.Это свойство,в той или иной мере,присуще всем поглощающим свет веществам,обладающим анизотропной структурой.Классический пример такого вещества кристалл турмалина. Он обладает двойным лучепреломлением и, кроме того очень сильно поглощает обыкновенный луч.Поэтому даже из тонкой пластины турмалина естественный свет выходит линейно-поляризованным.Дихроизм обнаруживает не только кристаллы но и многочисленные некристаллические тела,обладающие естественной или искуственно созданной анизотропией (молекулярные кристаллы,растянутые полимерные пленки,жидкости,ориентированные в потоке и т.д.).
Эффект фотодихроизма состоит в возникновении дихроизма в изотропной среде под действием на эту среду поляризованного света. Свет вызывает фотохимические превращания молекул вещества, изменяя коэффициент их поглощения. Поляризованный свет преимущественно взаимодействует с молекулами определе ориентации ,что и приводит к появлению анизотропии поглощения (1)
16.5.2. Естественная оптическая активность.Кроме сред с линейным дихроизмом (т.е. с различным поглощением света,обладающего различной линейной поляризацией) существуют среды,обладающие циркулярным дихроизмом,по разному пог правоциркулярнои левоциркулярно-поляризованный свет. Циркулярным дихроизмом как правило обладают вещества с естейственной оптической активностью
Естественной оптической активностью называют способность вещества поворачивать плоскость поляризации прошедшего через него света. Величугла поворота зависит от длины волны света т. е. имеет место вращательная дисперсия. Кроме того, этот угол пропорционален толщине слоя вещества, а для растворов и концентрации.
Явление естественной оптической активности используется при определении концентраций различных растворов сахариметрии.
Естественная оптическая активность объясняется явлением двойного цирулирного лучепреломления,т.е. расщеплением света на две циркулярно-поляризованные компоненты-левую и правую. (следует отметить,что эффект Фарадея объясняется возникновением циркулярного преломления в магнитном поле).Направление вращения плоскости поляризации при естественной оптич. (левостороннее или правостороннее) зависят от пироды вещества. Это связано с существованием веществ в двух зеркальных формах-левой и правой (свойство ассиметрии)(1),(2),(5).
16.6. Поляризация при рассеивании света.
Рассеяный на неоднородных средах естественный свет в некоторых направлениях является линейно-поляризованным и, наоборот, линейно-поляризованный свет в некоторых направлениях не рассеивается). В основе этого явления (как и при поляризации света, отраженного под углом Брюстера) лежит природа самой электромагнитной поперечной световой волны (см."Поляризация"), а вовсе не анизотропия и ориентация молекул, что лишь препятствует полной поляризации рассеивания света.
Поляризация при рассеивании - единственный метод поляризации рентгеновского излучения (1).
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Н.Д.Жевандров. Анизотропия и оптика. М., "Наука",1974
2. Г.С.Ландсберг, Оптика. М., "Наука", 1976
3. У.Шерклиф, Поляризованный свет. М., "Мир",1965
4. М.Фрахт, Фотоупругость,т.1-2. М.,1950
5. А.Вайсбергер, Физические методы в органической химии, пер.
с англ. т.5, М., 1957
6. Квантовая электроника, изд. "Советская энциклопедия",
М.,1969
7. Р.Дитчберн,Физическая оптика, пер. с англ.,М.,1965
8. Г.Иос,Курс теоретической физики, "Учпедгиз", М.,1963
9. М.Борн, Атомная физика, пер. с англ., М.,1965
10. А.с. 154680, 178905, 243872, 268819, 391672, 416595,
474724
США патенты 3588214, 3558215, 3558415, 3588223, 3811778
Великобритания, заявка 1354509
ФРГ заявка 2333242
Франция, заявка 22099357
17. ЭФФЕКТЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ.
До сих пор мы рассматривали оптические явления в предположении, что интенсивность (вт. см2) световой волны никак не влияет на физику явления. Так оно и было до тех пор, пока в оптике оперировали со световыми волнами, напряженность электрического поля которых была пренебрежительно мала по сравнению с внутренним электрическим полем (10 в девятой степени в/см), определяющим силы связи оптического электрона с ядром атома. Однако, с появлением лазеров, опыта со световыми пучками, интенсивность которых достигает NNNNN вт.см2,(электрическое поле световой волны соизмерно с внутриатомным, показали, что существует сильная зависимость характера оптических эффектов при достижении некоторых пороговых знаний интенсивности.
Оптические эффекты, характер которых зависит от интенсивности излучения называют нелинейными. Далее мы приведем некоторые из них.
17.1. Вынужденное рассеяние света.
Случайные изменения плотности среды, обусловленные тепловыми движениями молекул (тепловые акустичекие волны), рассеивают световую волну и модулируют ее по частоте, при этом возникают сателлиты с частотами, равными сумме и разности частот световой волны и тепловых акустичеких колебаний (спонтанное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна). Однако отношение интенсивности сателлитов интенсивности падающего излучения составляет лишь 10 в минус шестой степени.
При увеличении интенсивности падающего излучения выше порогового значения происходит следующее. Под действием электрического тока из-за явления электрострикации возникают импульсы избыточного давления, достигающие в поле лазерного луча дес. тыс. атмосфер. Возникает акустическая волна давления (гипарзвук, 10 в 10-ой степени Гц), изменяющая показатель преломления по закону бегущей волны. Эти изменения показателя преломления образуют в среде как бы дифракционную решетку, на которой и происходит рассеяние световой волны. При этом интенсивность сателлитов становися сравнимой с интенсивностью падающей волны, а количество их возрастает. Описанный эффект называется вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.
При достаточно больших интенсивностях падающего излучения нелинейная среда стать может генератором звука со световой накачкой. С помощью лазеров удается возбуждать мощные (до 10 квт) гиперзвуковые колебания во многих жидкостях и твердых телах.
Свой нелинейный аналог и комбинационное рассеяние (см."Поглощение и рассеяние"). При вынужденном комбинационном рассеянии мощное световое излучение возбуждает в среде когерентные колебания молекул, на которых и происходит его рассеяние с образованием суммарных и разностных сателлитов. Частота наиболее мощного из них меньше частотоы падающего света на частоту молекулярных колебаний.
Так, при рассеянии красного излучения лазеров в камере со сжатым водородом, когда интенсивность достигает пороговой величины около 10 в 8-ой степени вт/см2, число компонентв рассеянном излучении настолько возрастает и их интенсивность настолько высока, что, луч, выходящий из газа, из красного становится белым. Аналогичен опыт по ВКР в жидкостях, например, в нитробензоле. Особенность здесь в том, что рассеянные компоненты с различной длиной волны пространственно разделены и образуют на экране цветные кольца.
Вынужденное расеяние (ВКР и ВРМБ) применяется, в основном, для последования структуры и свойств вещества, для изучения нелинейных процессов в средах. Используется также для накачки полупроводниковых ОКР, для управления параметрами твердотельных ОКГ. Может использоваться для создания преобразователей частоты мощного когерентного света в ультрафиолетовой, видимой и особено инфракрасной областях спектра
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.
Эффект Керра, вызванный электрическим полем световой волны называется высокочастотным. Он проявляется в том, что для мощного излучения показатель преломления жидкости зависит от интенсивности света т.е. среда становится нелинейной, что для интенсивных лазерных пучков приводит к самофокусировке (см. эффекты нелинейной оптики)(6).
16.3.2. ЭФФЕКТ ПОККЕЛЬСА.
Возникновение двойного лучепреломления в кристалле при наложении электрического поля в направлении распространения света называется эффектом Поккальса. При этом величина разности фаз расщепленных лучей пропорциональна первой степени напряженности поля (линейный электрооптический эффект, а также продольный электрооптический эффект). Наиболее ярко эффект реализуется в кристалле дигидрофосфата калия (КДР).
Эффект Поккельса по сравнению с эффектом Керра имеет меньшую зависимость от температуры. Применение этих эффектов аналогичны (затворы вращатели плоскости поляризации, индикаторы электрического поля, модуляторы света).
А.с. 440 606: Оптико-электронное устройство для измерения мощности, содержащее монохротический источник излучения, магнитооптическую ячейку Фарадея с поляризатором и анализатором, фотоприемник и усилитель с нагрузкой в выходной цепи, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения, оно снабжено последовательной цепочкой элементов состоящей из четвертьволновой пластины, электрооптической ячейки Поккельса и дополниельного анализатора, установленной между анализатором ячейки Фарадея и фотоприемником.
А.с. 398 153: Модулятор света, включающий в полупроводниковую структуру генерирующую в домены сильного поля, боковая поверхность или часть боковой поверхности, которая покрыта диэлектриком, отличающийся тем, что с целью расширения частотного диапазона модулируемого излучения, уменьшение потерь и увеличение коэффициента модуляции, диэлектрическое покрытие выполнено из материала с константой электрооптического эффекта большей, чем у материала полупроводниковой структуры.
16.4. Магнитооптические явления.
К ним относят группу явлений, связанных с прохождением электромагнитного излучения через вещества помещенные в магнитном поле.
16.4.1. Эффект Фарадея.
Если линейно-поляризованный свет проходит через вещество помещенное в магнитное поле, вектор напряженности которого совпадает с напряжением распространения света, то плоскость поляризации света поварачивается на некоторый угол. Этот угол пропорционален длине пути света в веществе и напряженности поля, и обратно пропорционален квадрату длины волны. Зависит он от свойств вещества. Так, он сильно изменяется вблизи линий поглощения данного вещества. особенно сильный эффект наблюдается в тонких прозрачных пленках железа, никеля и кобальта. При прохождении света в прямом и обратном направлении углы поворота вследствии эффекта Фарадея не компенсируются, а суммируются, в отличии от естественного вращения поляризации в некоторых веществах. Диамагнетики в магнитном поле всегда обнаруживают положительное вращения (т.е. вращение по часовой стрелке, если смотреть по направлению поля), пара и ферромагнетики - отрицательные.
А.с. 491 916: Позиционно-чувствительный датчик с магнитооптической модуляцией, содержащий поляризатор, анализатор и ячейку Фарадея, отличающийся тем, что с целью повышения чевствительности, магнитооптический активный элемент ячейки Фарадея выполнен из составных двух частей, например, призм с противоположным по знаку постоянными Верде, расположенных в симметрично относительно оптической оси системы.
Природа эффекта обьясняется различным влиянием магнитного поля на скорость распространения в веществе првоциркулярно и левоциркулярно поляризованных световых волн, в результате чего между ними накапливается разность фаз, приводящая при их сложении к возникновению волн с повернутой плоскостью поляризации (8).
Как обычно, возможные применения вытекают из физической сущности эффекта;управление поворотом плоскости поляризации с помощью магнитного поля или же измерение магнитных полей по углу поворота плоскости поляризации.
А.с. 412 698: Оптический квантовый генератор, содержащий задающи генератор, оптический квантовый усилитель и установленные между ними согласующее устройство, отличающеесятем, что с целью улучшения однородности пучка без уменьшения его мощности, согласующее устройство выполнено ввиде расположенного между двумя поляризаторами элемента, обладающего измеряющейся по радиусу вращательной способностью.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестые названного элемента использован вращатель Фарадея, выполненный ввиде цилиндра из свинцового стекла установленного в соленоиде.
А.с. 479 147: Устройство магнитооптического воспроизведения информации с магнитного носителя, содержащее источник плоскополяризованного света, анализатор, фотоприемник и магнитную головку, отличающееся тем, что с целью повышения чувствительности, его магнитная головка снабжена магнитооптическим кристаллом установленным на участке заднего зазора, расположенным на одной линии между источником плоскополяризованного света и анализатором пучка этого света.
Часто эффект Фарадея используют для создания невзаимных элевентов т.е. устройств, пропускающих излучение только в определенном направлении (6).
Оптический вентель состоит из двух поляризаторов, скрещенных под углом 45 градусов и элемента Фарадея, помещенного между ними. Элемент расчитан так, что вращая плоскость поляризации света на 45 градусов, и свет проходит через второй поляризатор. Луч, идущий в обратном направлении, вращается в ту же сторону, что и прямой луч и оказывается повернутым на 90 градусов относительно первого поляризатора, и значит не пропускается им. В частноссти такие вентили используют в лазерах бегущей волны и и в оптических усилителях.
В СВЧ-технике для создания вентилей, фазовращателей и циркуляторов широко исполуют эффект Фарадея на ферритах, которые практически прозрачны для электромагнитных волн этого диапазона (дици-санти и миллиметровые радиоволны).
16.4.2. Существует и так называемый обратный эффект Фарадея - возникновение в среде магнитного поля под действием мощного циркулярнополяризованного света, вызывающего циркулярное движение электронов (1).
16.4.3. Частным случаем эффекта Фарадея является магнитооптический эффект Керра - при отражении под любым углом, в том числе и по нормали к поверхности, линейнополяризованного света от намагниченного ферромагнитика возникает элептическиполяризованный свет. Фактически, магнитооптический эффект Керра это вращение плоскости поляризации части излучания в тонком поверхностном слое ферромагнитика в магнитном поле.
Магнитооптическая установка для автоматической записи магнитных характеристик ферромагнетика, в которой использование магнитооптического эффекта Керра позволяет снимать кривые намагничивания и дистеризиса на учатках поверхности размером 1 мк2. (приборы и техника эксперимента, 1973,нр-5, стр. 215-217)
16.4.4. При распространении света в веществе перпендикулярно магнитному полю возникает двойное лучепреломление, величина которого пропорциональна квадрату напряженности магнитного поля. (ээфект Коттона-Муттона).
Наложение сильного магнитного поля ориентирует хаотически расположенные молекулы (если последние имеют постоянный магнитный момент), что и приводит к оптической анизотропии. Этот эффект много слабее, чем электрооптических эффект Керра, а в технике применяется редко.
Механизм всех магнитооптических явлений тесно связан с механизмом прямого и обращенного эффекта Зеемана.
16.4.5. Прямой (обращенный) эффект Зеемана состоит в расщеплении спектральных линий испускаемого (поглощаемого) излучения под действием магнитного поля на излучающее (поглощающее)вещество. При этом неполяризованное излучение с частотой направления поля расщепляется на два компанета (линии) с частотами и , первая из которых поляризована по левому кругу, а вторая по правому. В направлении же перпендикулярном поля расщепление имеет такой характер: имеется при линейном-поляризованные компоненты с чатотамти.
Крайние компоненты поляризованны перпендикулярно магнитному полю средние же, с неизхменной частотой поляризованна вдоль поля и по интенсивности вдвое привосходит соседние. Величина смещения частоты пропорциональна индукции магнитного поля. Эффект Зеемана обусловлен расщеплением в магнитном поле энергетических уровней атомов или молекул на подурони, между которыми возможны квантовые переходы.
ФРГ патент 1 287 836: Кольцевой лазер для определения скорости вращения имеет трубу и отражательные зеркала, которые создают замкнутый оптический контур, включающий ось лазера, а также средства с помощью которых световые лучи обособляются и накладываются, циркулируя в оптическом контуре в противоположных направлениях. Лазер отличается тем, что предусмотрено устройство служащее для воздействия на трубу лазера осевого магнитного поля таким образом, что в соответствие с эффектом Зеемана, создается два луча с противоположной круговой поляризацией. Предусмотрено устройство, которое обеспечивает поступательное движение только одного такого луча в каждом направлении вдоль оптического контура.
США патент 3 796 499: Аппарат предназначен для реализации способа определения концентрации парамагнитного материала в газовой смеси. Образец смеси подвергают воздействию магнитного поля средней напряженности и освещают лазерным излучением постоянной частоты. Магнитное поле энергетическими уровнями в парамагнитном материале до величины, соответствующей условию резонансас лазерным излучением. Для количественной корреляции вариации интенсивности лазерного излучения, проходящего через смесь, как функция напряженности магнитного поля используют стандартные процедуры детектирования. В случае окиси азота способ достаточно чувствителен, чтобы обнаруживать концентрации, значительно меньше, чем одна часть на миллион.
В заключении отметим, что механизм эффекта Фарадея, по сути дела, обусловлен обращенным эффектом Зеемана. Им же обьсняется избирательное поглощение радиоволн парамагнитными телами, помещенными в магнитное поле (см. "Электронный парамагнитный резонанс") (1,6,7,9).
16.5.Существует ряд явлений,при которых оптическая анизотропия в среде вызывается воздействием из нее энергии светового излучения.Кним относится эффект фотодихроизма,а также поляризация люминесценции.
16.5.1. Дихроизм - это зависимость величины поглощения телами света от его поляризации.Это свойство,в той или иной мере,присуще всем поглощающим свет веществам,обладающим анизотропной структурой.Классический пример такого вещества кристалл турмалина. Он обладает двойным лучепреломлением и, кроме того очень сильно поглощает обыкновенный луч.Поэтому даже из тонкой пластины турмалина естественный свет выходит линейно-поляризованным.Дихроизм обнаруживает не только кристаллы но и многочисленные некристаллические тела,обладающие естественной или искуственно созданной анизотропией (молекулярные кристаллы,растянутые полимерные пленки,жидкости,ориентированные в потоке и т.д.).
Эффект фотодихроизма состоит в возникновении дихроизма в изотропной среде под действием на эту среду поляризованного света. Свет вызывает фотохимические превращания молекул вещества, изменяя коэффициент их поглощения. Поляризованный свет преимущественно взаимодействует с молекулами определе ориентации ,что и приводит к появлению анизотропии поглощения (1)
16.5.2. Естественная оптическая активность.Кроме сред с линейным дихроизмом (т.е. с различным поглощением света,обладающего различной линейной поляризацией) существуют среды,обладающие циркулярным дихроизмом,по разному пог правоциркулярнои левоциркулярно-поляризованный свет. Циркулярным дихроизмом как правило обладают вещества с естейственной оптической активностью
Естественной оптической активностью называют способность вещества поворачивать плоскость поляризации прошедшего через него света. Величугла поворота зависит от длины волны света т. е. имеет место вращательная дисперсия. Кроме того, этот угол пропорционален толщине слоя вещества, а для растворов и концентрации.
Явление естественной оптической активности используется при определении концентраций различных растворов сахариметрии.
Естественная оптическая активность объясняется явлением двойного цирулирного лучепреломления,т.е. расщеплением света на две циркулярно-поляризованные компоненты-левую и правую. (следует отметить,что эффект Фарадея объясняется возникновением циркулярного преломления в магнитном поле).Направление вращения плоскости поляризации при естественной оптич. (левостороннее или правостороннее) зависят от пироды вещества. Это связано с существованием веществ в двух зеркальных формах-левой и правой (свойство ассиметрии)(1),(2),(5).
16.6. Поляризация при рассеивании света.
Рассеяный на неоднородных средах естественный свет в некоторых направлениях является линейно-поляризованным и, наоборот, линейно-поляризованный свет в некоторых направлениях не рассеивается). В основе этого явления (как и при поляризации света, отраженного под углом Брюстера) лежит природа самой электромагнитной поперечной световой волны (см."Поляризация"), а вовсе не анизотропия и ориентация молекул, что лишь препятствует полной поляризации рассеивания света.
Поляризация при рассеивании - единственный метод поляризации рентгеновского излучения (1).
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Н.Д.Жевандров. Анизотропия и оптика. М., "Наука",1974
2. Г.С.Ландсберг, Оптика. М., "Наука", 1976
3. У.Шерклиф, Поляризованный свет. М., "Мир",1965
4. М.Фрахт, Фотоупругость,т.1-2. М.,1950
5. А.Вайсбергер, Физические методы в органической химии, пер.
с англ. т.5, М., 1957
6. Квантовая электроника, изд. "Советская энциклопедия",
М.,1969
7. Р.Дитчберн,Физическая оптика, пер. с англ.,М.,1965
8. Г.Иос,Курс теоретической физики, "Учпедгиз", М.,1963
9. М.Борн, Атомная физика, пер. с англ., М.,1965
10. А.с. 154680, 178905, 243872, 268819, 391672, 416595,
474724
США патенты 3588214, 3558215, 3558415, 3588223, 3811778
Великобритания, заявка 1354509
ФРГ заявка 2333242
Франция, заявка 22099357
17. ЭФФЕКТЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ОПТИКИ.
До сих пор мы рассматривали оптические явления в предположении, что интенсивность (вт. см2) световой волны никак не влияет на физику явления. Так оно и было до тех пор, пока в оптике оперировали со световыми волнами, напряженность электрического поля которых была пренебрежительно мала по сравнению с внутренним электрическим полем (10 в девятой степени в/см), определяющим силы связи оптического электрона с ядром атома. Однако, с появлением лазеров, опыта со световыми пучками, интенсивность которых достигает NNNNN вт.см2,(электрическое поле световой волны соизмерно с внутриатомным, показали, что существует сильная зависимость характера оптических эффектов при достижении некоторых пороговых знаний интенсивности.
Оптические эффекты, характер которых зависит от интенсивности излучения называют нелинейными. Далее мы приведем некоторые из них.
17.1. Вынужденное рассеяние света.
Случайные изменения плотности среды, обусловленные тепловыми движениями молекул (тепловые акустичекие волны), рассеивают световую волну и модулируют ее по частоте, при этом возникают сателлиты с частотами, равными сумме и разности частот световой волны и тепловых акустичеких колебаний (спонтанное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна). Однако отношение интенсивности сателлитов интенсивности падающего излучения составляет лишь 10 в минус шестой степени.
При увеличении интенсивности падающего излучения выше порогового значения происходит следующее. Под действием электрического тока из-за явления электрострикации возникают импульсы избыточного давления, достигающие в поле лазерного луча дес. тыс. атмосфер. Возникает акустическая волна давления (гипарзвук, 10 в 10-ой степени Гц), изменяющая показатель преломления по закону бегущей волны. Эти изменения показателя преломления образуют в среде как бы дифракционную решетку, на которой и происходит рассеяние световой волны. При этом интенсивность сателлитов становися сравнимой с интенсивностью падающей волны, а количество их возрастает. Описанный эффект называется вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.
При достаточно больших интенсивностях падающего излучения нелинейная среда стать может генератором звука со световой накачкой. С помощью лазеров удается возбуждать мощные (до 10 квт) гиперзвуковые колебания во многих жидкостях и твердых телах.
Свой нелинейный аналог и комбинационное рассеяние (см."Поглощение и рассеяние"). При вынужденном комбинационном рассеянии мощное световое излучение возбуждает в среде когерентные колебания молекул, на которых и происходит его рассеяние с образованием суммарных и разностных сателлитов. Частота наиболее мощного из них меньше частотоы падающего света на частоту молекулярных колебаний.
Так, при рассеянии красного излучения лазеров в камере со сжатым водородом, когда интенсивность достигает пороговой величины около 10 в 8-ой степени вт/см2, число компонентв рассеянном излучении настолько возрастает и их интенсивность настолько высока, что, луч, выходящий из газа, из красного становится белым. Аналогичен опыт по ВКР в жидкостях, например, в нитробензоле. Особенность здесь в том, что рассеянные компоненты с различной длиной волны пространственно разделены и образуют на экране цветные кольца.
Вынужденное расеяние (ВКР и ВРМБ) применяется, в основном, для последования структуры и свойств вещества, для изучения нелинейных процессов в средах. Используется также для накачки полупроводниковых ОКР, для управления параметрами твердотельных ОКГ. Может использоваться для создания преобразователей частоты мощного когерентного света в ультрафиолетовой, видимой и особено инфракрасной областях спектра