Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
1. Анизотропия при деформациях. Если подвергнуть какое-либо прозрачное тело сжатию (или растяжению), то в результате такого воздействия образуется своеобразный «квазикристалл», оптическая ось которого проходит в направлении сжатия ( растяжения) . Симметрия всех свойств вещества в плоскости, перпендикулярной направлению сжатия, совершенно очевидна, поэтому в данном случае имеет смысл говорить о возникновении одноосного квазикристалла. Это явление легко наблюдать на опыте, схема которого приведена на рис .3.8. Через тело, подвергшееся сжатию, пропускают свет в направлении, перпендикулярном образовавшейся оптической оси; следовательно, в нем должна возникнуть эллиптическая поляризация.
Для измерения Ап в схему введена пластинка в четверть длины
120
3.8. К анизотропии, возникающей при деформации прозрачного изотропного тела
волны, а колебания вектора Е, пропущенные поляризатором Pi и анализатором Р%, должны составлять угол п/4 с 'осью квазикристалла. Оказывается, что Ап ~ F, где F — сила натяжения, возникающего в веществе. Следовательно, измеряя Are, можно оценить нагрузку, действующую на исследуемое тело. Это позволяет создать оптический метод исследования напряжений в различных системах. Конечно, он пригоден лишь для прозрачных тел, но позволяет моделировать механическую систему и оценивать напряжение в различных ее частях. Оптический метод также широко используется для исследования напряжений в оптическом стекле, возникающих при его изготовлении. Все детали ответственных оптических узлов, как правило, просвечивают поляризованным светом для обнаружения в них возможных остаточных напряжений. На рис. 3.9 проиллюстрированы поляри-. зационные опыты со стеклами, в которых натяжения образовались при термической обработке. Разность Are = гее — па оказы-
3.9. Картины, создаваемые механическими напряжениями в стекле при освещении его поляризованным светом
Закаленный стеклянный кубик между параллельно установленными поляроидами (<2) и между перпендикулярно установленными поляроидами (б)
121
вается зависящей от длины волны, и при освещении таких стекол немонохроматическим излучением картина в поляризованном свете получается разноцветной.
2. Анизотропия в электрическом поле. Возникновение анизотропии в электрическом поле было обнаружено Керром в 1875 г. и с тех пор широко используется в технике эксперимента. В настоящее время явление Керра хорошо исследовано как экспериментально, так и теоретически. Это оказалось возможным благодаря тому, что эффект наблюдается в веществах, находящихся в жидком и даже газообразном состоянии, а их изучение несравненно проще изучения твердого тела. Схема опыта относительно проста (рис. 3 .10). Между двумя скрещенными поляризаторами Р\ и Р% располагают плоский конденсатор. Между пластинами конденсатора помещают кювету с жидким нитробензолом — веществом, в котором изучаемый эффект весьма велик. При включении напряжения происходит поляризация молекул нитробензола и их выстраивание. Так создается анизотропия вещества с преимущественным направлением (оптической осью квазикристалла) вдоль вектора напряженности электрического поля. Так же как и при механической деформации, излучение становится эллиптически поляризованным и частично проходит через второй поляризатор, скрещенный с первым, т.е. установленный так, чтобы не пропускать линейно поляризованный свет. Опыт дает Ап = пе — п0 = КЕ2, где К — некая константа, как правило, положительная . Однако для некоторых веществ К оказывается меньше 0 (это значит, что п0> пе, т.е. образуется «отрицательный » квазикристалл ).
Такой эффект был объяснен Борном, дополнившим исходную теорию явления, развитую Ланжевеном. В теории Ланжевена предполагалось возникновение и выстраивание наведенных электрическим полем (индуцированных) дипольных моментов, тогда к$к в дополнении Борна учитывалась также ориентация постоянных дипольных моментов, которыми обладают некоторые жидкости. Знак постоянной Керра обусловлен относительной ролью этих двух физических процессов.
Абсолютное значение константы К характеризует пригодность данного вещества к использованию его в ячейке Керра. Обычно постоянной Керра называют эту величину, выраженную в длинах волн, т.е. К/Х. Она заметно уменьшается с повышением температуры жидкости, так как тепловое движение молекул препятствует их ориентации. Для нитробензола она достаточно велика — эффект легко наблюдается при подаче на конденсатор импульса напряжения с амплитудой в несколько сотен вольт. Наблюдение эффекта Керра в других жидкостях (а особенно в газах) требует использования значительно большей напряженности электрического поля.
122
—'S'—Q-
Г
пт
I
1/4 p2
3.10. Схема опыта с ячейкой Керра
3.11. Схема измерения инерционности ячейки Керра
Наиболее важной особенностью эффекта Керра, обусловившей широкое его применение, является весьма малая инерционность. Это свойство ячейки Керра проверялось в остроумных опытах (схема опытов изображена на рис. 3.11), а в последующем детально исследовалось в большом количестве экспериментов. Источник света (конденсированная искра) и конденсатор Керра получают напряжение от одного источника тока. Как только произошел пробой газа между электродами (искра) и возник связанный с этим пробоем импульс света, начинает постепенно исчезать эффект Керра, что вызвано релаксацией дипольных моментов молекул. Системой зеркал можно удлинить путь от источника света до ячейки Керра. Опыты показали, что, пока свет проходит расстояние 400 см, все следы двойного лучепреломления успевают исчезнуть. Отсюда была найдена инерционность процесса, характеризуемая средним временем х ~ 10-8 с. В последующих прецизионных опытах было учтено время пробоя газа и была установлена еще меньшая инерционность эффекта (х < 10'9 с). Таким образом, открылась возможность создания практически безынерционного оптического затвора и тем самым были заложены основы физики очень быстрых процессов («нано-секундная техника»; 1 не = 10-9 с). За последнее время эта техника приобрела особое значение в связи с возможностью получения очень больших мощностей светового потока в лазерах. Действительно, если возбудить в твердотельном лазере импульс света с энергией ~ 10 Дж и продолжительностью ~ 10~3 с, то мощность такого импульса составит 10 кВт. Если же с помощью какого-либо быстродействующего устройства (например, ячейки Керра) заставить высветиться эту систему за время порядка 10~8 с, то мощность импульса составит уже 1 ГВт. Такие «гигантские импульсы» обладают некоторыми совершенно новыми физическими свойствами. Использование подобных сверхмощных световых потоков играет большую роль в области бурно развивающейся нелинейной оптики, а также при решении различных технических задач.
