Двойное лучепреломление

1. Двойное лучепреломление

2. План лекции

1.
2.
3.
4.
5.
Распространение света в анизотропной
среде
Двулучепреломление в одноосных кристаллах
Кристаллические поляризационные устройства
Искусственное двулучепреломление
Распространение света в оптически
активных веществах

3. 1. Распространение света в анизотропной среде

Оптическая
анизотропия – различие
оптических свойств среды (показателя
преломления)
в
зависимости
от
направления распространения в ней
света, а также в зависимости от его
поляризации.
Естественная
оптическая
анизотропия
кристаллов обусловлена неодинаковостью
по
различным
направлениям
сил,
связывающих атомы кристаллической
решетки.

4.

z
r
y
r n
x
nx n y nz
Кристалл эквивалентен оптически изотропному телу.
(Кристаллы с кубической симметрией решетки – NaCl)
nx n y nz
Одноосный кристалл. (Кристаллы с тригональной,
тетрагональной, гексагональной симметрией решетки
– кварц, исландский шпат CaCO3)
nx n y nz
Двуосный кристалл. (Кристаллы с ромбической,
моноклинной, триклинной симметрией решетки –
слюда)

5. 2. Двулучепреломление в одноосных кристаллах

1669 год – Э. Бартоломин
O’
e -луч
o -луч
O

6. Скорость распространения обыкновенного и необыкновенного лучей различна.

а
б
O’
O’
O
O
в
Вид фронтальных поверхностей точечного источника:
а) в изотропном кристалле
б) в анизотропном положительном кристалле (Vo > Ve)
в) в анизотропном отрицательном кристалле (Vo < Ve)

7. Распространение света в отрицательном одноосном кристалле

O’
O’
o
o, e
O
O’
O
O
o
e
e
O’

8. Фазовые пластинки

Линейно поляризованная волна падает на кристаллическую пластинку перпендикулярно оптической
оси.
На выходе из нее между обыкноO’
венным и необыкновенным лучами
E
имеется разность хода (разность
a EII
фаз):
E^
EII ( x, t ) Ee cos( t kx)
O
E^ ( x, t ) Eo cos( t kx )

9. Результат сложения

EII
cos( t kx)
Ee
E^
cos( t kx ) cos( t kx) cos sin( t kx) sin
Eo
2
EII
E^ EII
sin
cos 1
Eo
Ee
Ee
2
E^ EII
EII 2
sin
cos 1
Eo Ee
Ee
2
2
2
E^ E II
E E
2 ^ II cos sin 2
Eo Ee
Eo Ee

10.

2 n
(no ne )d n
Eo
E II
E^
Ee
свет линейно поляризован в той же плоскости
(2n 1)
(no ne )d
2
(2n 1)
Eo
E^
E II
Ee
свет линейно поляризован в плоскости, повернутой на угол ( – 2a)
2
(2n 1)
(no ne )d
2
4
(2n 1)
2
E ^ Eo
1
Eo Ee
свет циркулярно поляризован (a = /4) или эллиптически поляризован

11. 3. Кристаллические поляризационные устройства

Призма Николя. Материал – исландский шпат, канадский бальзам
ne = 1,49; no = 1,66; nб = 1,55

12. Двухлучевые поляризационные призмы

Двухлучевые поляризационные призмы: а — призма Рошона;
б — призма Сенармона; в — призма Волластона; г — призма
из исландского шпата и стекла; д — Аббе. Штриховка
указывает направление оптических осей кристаллов в
плоскости рисунка. Точки означают, что оптическая ось
перпендикулярна плоскости рисунка. Стрелки и точки на
лучах указывают направления колебаний электрического
вектора.

13. Дихроизм и плеохроизм

Дихроизм – зависимость поглощения электромагнитных волн от направления колебаний вектора
напряженности электрического поля (турмалин,
сульфат йодистого хинина) . В турмалине
обыкновенный луч полностью поглощается при
прохождении 1 мм. Поляроид – целлулоидная пленка
с кристаллами сульфата йодистого хинина.
Плеохроизм
эффект
изменения
окраски
кристалла
в
зависимости
от
направления
распространения света в нём

14. 4. Искусственное двулучепреломление

Фотоупругость - возникновение оптической анизотропии в
первоначально изотропных твёрдых телах под действием
механических напряжений. Открыта Т. И. Зеебеком (1813) и Д.
Брюстером (1816).
Фотоупругость обусловлена деформацией электронных оболочек
атомов и молекул и ориентацией оптически анизотропных
молекул либо их частей, а в полимерах – раскручиванием и
ориентацией полимерных цепей. Для малых одноосных
растяжений или сжатий выполняется закон:
no - ne = kP (Р – механическое напряжение, k –
упругооптическая постоянная).
Фотоупругость используется при исследовании напряжений в
механических конструкциях, расчёт которых слишком сложен.
Исследование двойного лучепреломления под действием
нагрузок в выполненной из прозрачного материала модели
(обычно уменьшенной) изучаемой конструкции позволяет
установить характер и распределение в ней напряжений.

15.

Эффект
Керра
возникновение
двойного
лучепреломления в оптически изотропных веществах,
например жидкостях и газах, под воздействием
однородного электрического поля. Открыт Дж. Керром в
1875. В результате К. э. газ или жидкость в электрическом
поле приобретает свойства одноосного кристалла,
оптическая ось которого направлена вдоль поля.
no - ne = nkE2 (n – показатель преломления в отсутствии
поля, k – постоянная Керра, E – напряженность поля)
Объяснение К. э. было дано П. Ланжевеном (1910) и М.
Борном (1918). Электрическое поле стремится повернуть
молекулы вещества так, чтобы их электрический
дипольный момент был направлен вдоль поля Е или
создаёт в молекулах дополнительный дипольный момент.
В результате действия поля в веществе возникает
определённая ориентация частиц.

16.

Поккельса эффект, линейный электрооптический
эффект, изменение преломления показателя света в
кристаллах, помещенных в электрическое поле,
пропорциональное напряжённости электрического поля.
П. э. наблюдается только у пьезоэлектриков.
Был обнаружен в 1894 немецким физиком Ф. Поккельсом,
после
чего
в
течение
длительного
времени
исследовался
мало
и
находил
ограниченное
применение.
Главная
причина
—
высокие
электрические напряжения (десятки и сотни Кв) для
получения заметного эффекта.
Появление лазеров стимулировало исследования П. э. На
основе П. э. разработан ряд устройств для
электрического управления когерентным оптическим
излучением. Важное свойство П. э. — малая
инерционность, позволяющая осуществлять модуляцию
света до частот ~1013 Гц. Малая инерционность
позволяет использовать П. э. для модуляции
добротности лазеров, с помощью которой получают
гигантские по мощности световые импульсы малой
длительности. П. э. находит применение также в
системах углового отклонения светового пучка и в
устройствах
создания
двумерного
оптического
изображения.

17.

Коттона — Мутона эффект - двойное лучепреломление
света в изотропном веществе, помещенном в поперечное
магнитное поле (перпендикулярное световому лучу).
Впервые обнаружено в коллоидных растворах Дж.
Керром и (независимо от него) итальянским физиком К.
Майораной в 1901. Подробно исследовано Э. Коттоном и
А. Мутоном в 1907.
ne - no = CH2 (Н — напряжённость магнитного поля, С —
зависящая
от
вещества
константа,
называемая
постоянной Коттона—Мутона, — длина волны света)
Величина С обратно пропорциональна абсолютной
температуре Т и, как правило, очень мала. Аномально
большие значения С обнаружены в жидких кристаллах и в
коллоидных растворах

18. 5. Распространение света в оптически активных веществах

Оптически
активные
вещества
поворачивают
плоскость поляризации света при прохождении через
них. (1811 год, Араго)
Отличие от двулучепреломления:
1) происходит в направлении оптической оси, а не в
перпендикулярном ей направлении (для кристаллов);
2) поворачивают плоскость поляризации не на
фиксированный угол, а на угол, зависящий от длины
образца d: = ad (a удельное вращение, [град/м])
3) может наблюдаться в изотропных веществах

19.

Для растворов выполняется закон Био:
= a0 C d
a0 – коэффициент удельного вращения, [град*м2/кг]
C – концентрация вещества в растворе, [кг/м3]
В магнитном поле оптически неактивные вещества
становятся оптически активными (эффект Фарадея):
=rHd
r постоянная Верде,
H – напряженность
магнитного поля

20. Объяснение – Френель (1823 г.)

A
A
B
g
d
g
d - g
d
B’
d g
2
2
(nd ng )d
A’
d g
2
(nd ng )d