Лекция 7 (4 сем) 2026 Поляризация_2 Применение Слайдов22 25февр26

1. Лекция 7 (4 сем) для ПиМ. Практическое использование поляризации

Курс «Оптика и лазеры» для студентов БГТУ
2 курса ПиМ гр. 1 и 3
Кафедра физики БГТУ
доцент Крылов Андрей Борисович
Часть V.
Оптика
Лекция 7 (4 сем) для ПиМ.
Практическое
использование поляризации
1. Анализ поляризованного света. Ход лучей в Поляриметре. Закон Малюса.
2. Оптически активные вещества. Вращение плоскости поляризации.
3. Практическое использование поляриметра. Теоретическое объяснение поворота
плоскости поляризации. Пространственная (хирáльная) изомерия. Поляризационный
микроскоп.
4. Искусственная оптическая анизотропия: эффекты Керра, Фарадея, фотоупругость.
5. Типы жидких кристаллов (ЖК): немантики, холестрики, смектики. Применение жидких
кристаллов и явления оптической поляризации в ЖК мониторах.
2026
1
+5

2. 1. Анализ поляризованного света. Поляриметр

Человек не различает поляризованного света, поэтому для
изучения поляризованного света используют два
расположенных друг за другом поляризатора.
Эта система и прибор на ее основе называется поляриметром.
Первый поляризатор (П)
создаёт из естественного света
интенсивностью Iпад линейно
поляризованный свет
и при этом уменьшает эту
интенсивность в два раза:
I0 = Iпад /2 = Iест/2.
Второй поляризатор (А)
используется
для исследования
поляризованного света,
поэтому и называется
анализатором.
Интенсивность I линейно поляризованного света после прохождения через анализатор
находится по закону Малюса:
I = Iо cos2 φ, где I0 – интенсивность поляризованного света, падающего на анализатор.
φ - ("фи") - угол между плоскостями пропускания поляризатора П и анализатора А.
2
+4

3. Уравнение Малюса (1810 г.)

Примеры
Интенсивность I линейно
поляризованного света после
прохождения через
анализатор находится по
закону Малюса:
Поляризованный
свет
Оси
поляризаторов
повернуты на 450
Малюс
Этьен_Луи
1775-1812
где I0 – интенсивность
поляризованного света,
падающего на анализатор.
Закон Малюса в таком виде выполняется
только для линейно- поляризованного
света, что и подчёркивается в определении
этого закона.
Однако в задачах чаще всего говорится о
естественном (неполяризованном) свете,
пропускаемом через поляриметр.
На выходе I=0
Неполяризованный
свет
Скрещенные
поляризаторы
Учитывая, что I0= Iпад/2, формула запишется
через интенсивность Iпад падающего на
поляриметр естественного света так:
Оси
поляризаторов
повернуты на 450
3
3
+6

4. Закон Малюса в действии

Схема для анализатора
Схема для поляриметра
1 вариант (закон Малюса для анализатора): на анализатор
(тут поляроид) падает поляризованный свет.
При повороте анализатора вокруг своей оси от 00 до 900
наблюдается уменьшение интенсивности от максимальной до
нуля.
Если поворачивать далее, то увидим, наоборот, увеличение
интенсивности от нуля до максимальной.
2 вариант (закон Малюса для поляриметра): имеем два
поляризатора. На 1-й поляризатор (П) падает
неполяризованный свет.
Мы видим, что при повороте 2-го поляризатора
(анализатора А) вокруг своей оси относительно 1-го
поляризатора (П) можно добиться ситуации, когда на выходе
получаем интенсивность, равную нулю.
Такое положение поляризаторов называется – «поляризаторы
скрещены», т.к. плоскости поляризации для них
перпендикулярны (900) друг другу.
4
+7

5. 2. Оптическая активность и оптически активные вещества

Оптическая активность – это явление поворота плоскости поляризации
Оптически активное вещество – вещество, способное поворачивать
линейно поляризованного света при его прохождении через вещество.
плоскость поляризации света, проходящего через него. Далеко не каждое
вещество является оптически активным.
Ход лучей в поляриметре (с кюветой)
Угол поворота α ("альфа")
плоскости поляризации
прошедшего света всегда
прямо пропорционален
длине пути х света в веществе
для твёрдых сред (например, кварца):
для растворов (например,
скипидара, растворов сахара и
аминокислот):
В СИ:
[рад/м]
[% или
моль/м3]
[рад/(м·%) или
Вывод: чем длиннее образец или кювета с раствором (больше х), тем на бóльший угол
рад/(м· моль/м35
)]
повернёт плоскость поляризации данное вещество.
+6

6.

3. Практическое использование
поляриметра
Количественная характеристика –
концентрация с
х =const, α =const
0
0cx
Позволяет определять
количественные и качественные
характеристики
оптически активных веществ
α линейно зависит
от молярной концентрации с
Угол поворота
Качественная характеристика –
удельное вращение α0
х =const, c =const
0cx
α линейно зависит от
удельного вращения α0
Угол поворота
6
+6

7. L- и D- изомеры

Направление вращения плоскости поляризации
принято устанавливать для наблюдателя, смотрящего
навстречу световому лучу.
Если плоскость поляризации поворачивается по часовой
стрелке, то вещество называют правовращающим (D),
против часовой стрелки – левовращающим (L).
У многих органических соединений, в том числе аминокислот и сахаров, имеются зеркально
симметричные пространственные (хúральные) изомеры, которые различаются
направлением вращения плоскости поляризации света (D- и L- изомеры).
Луи Пастером в 1848 г. установлено (на примере солей виннокаменной кислоты): что
если вещество вращает плоскость поляризации, то оно всегда имеет две
модификации: правовращающую D и левовращающую L.
Для правых и левых модификаций активных кристаллов постоянная вращения имеет
противоположные по знаку и одинаковые по абсолютной величине значения:
Установлено, что эти изомеры по-разному усваиваются живыми организмами.
Примеры:
только из L-аминокислот состоят белки тканей всех живых существ, а Dаминокислоты не встречаются в природе.
Глюкоза является D- моносахаридом, а фруктоза – L-моносахаридом.
Синтезированные витамины – это смесь D- и L- изомеров, не вращающая плоскость
поляризации света - рацемическая смесь: усваивается же только один изомер. 7
+5

8. Хирáльная изомерия

Хиральные изомеры (от слова «хúрос» – по-гречески «рука») - есть
зеркальное отражение молекул друг друга и не могут переходить друг в
друга при вращении.
Хиральные
изомеры как
перчатки –
правая перчатка не
лезет на левую руку
Хиральная молекула
Нехиральная молекула
Хиральные изомеры –
различаются по запаху
Молекула кавтона
Запах мяты
Запах тмина
8
+6

9. Хиральные изомеры различаются по вкусу

Лечебные хлебцы для диабетиков с
аспартамом вместо сахара
Молекула аспартама – заменителя сахара в лечебных хлебцах для диабетиков
Сладкий вкус
Горький вкус
9
+2

10. Теоретическое объяснение вращения плоскости поляризации оптически активным веществом

Рис. 1
Для объяснения явления вращения плоскости поляризации Огюстен Жан
Френель в 1821 г. предложил следующую модель Френеля:
Френель
Огюстен Жан
1788-1827
Оптически
неактивное
вещество
Рис. 2
Оптически
активное
вещество
Плоско поляризованный монохроматический
свет на входе в оптически активное вещество можно
представить как совокупность двух волн той же
частоты ω, но поляризованных по кругу во
взаимно противоположных направлениях (рис. 1).
Векторы E1= EL и E2= ED этих волн по модулю равны
половине амплитуды вектора Е и вращаются с
угловой скоростью =Δφ/Δt соответственно
против (L) и по часовой стрелке (D) так, что в любой
момент времени они симметричны относительно
плоскости ОО колебаний падающего света. Причем:
L= D
В оптически активном веществе циклические
скорости L и D циклически поляризованных
волн E1=EL и E2=ED различны.
Поэтому при прохождении этих волн через слой
вещества толщиной Запомните:
х между ними возникает сдвиг фаз
=
k1х.
если
вещество левовращающее, то L> D,
если
вещество правовращающее,
Если
D > L, то >0 и на выходе из вещества
вектор E’то
L< D,по фазе вектор E’L и их взаимное
D обгоняет
расположение
вид, показанный
на рис.
2. что
еслиимеет
же вещество
оптически
неактивное,
означает правовращающее оптически активное
то L= D.
вещество.
10
+7

11. Кристаллы как оптически активные вещества

В кристаллических веществах оптическая активность может быть также
обусловлена особенностями расположения частиц в решетке.
11
+1

12. Поляризационный микроскоп

Поляризационный микроскоп - специализированный тип
оптического микроскопа, предназначенный для
исследования анизотропных объектов (биологических
препаратов, минералов, полимеров и др.).
Отличие от обычного светового микроскопа:
1) наличие 1-го поляризатора П на пути света, падающего на
объект, поэтому этот свет становится поляризованным;
2) наличие второго поляризатора (анализатора) А на пути света,
идущего к окуляру.
В этом случае изучение объекта происходит в поляризованном
свете.
А
П
Типичный
анизотропный кристалл в
поляризационном
микроскопе
(лимонная кислота, увел.
200 Х)
12
+5

13. 4. Искусственная оптическая анизотропия

Наведённая (искусственная) оптическая анизотропия возникает в средах, от
природы оптически изотропных, под действием внешних полей, выделяющих в
средах определённые направления.
Изучают искусственную оптическую анизотропию в поляриметрах.
Искусственная оптическая анизотропия может быть создана:
1. Магнитным полем Н
Эффект Фарадея,
эффект Коттона-Мутона
2. Электрическим полем Е
Эффект Керра
3. Полем упругих сил F
(механическим напряжением
σ)
Явление фотоупругости
В поляриметрах - приборах для анализа линейно-поляризованной волны, созданной
поляризатором П
13
+7

14. Эффект Фарадея

Эффект Фарадея – явление вращения плоскости
поляризации света оптически неактивными веществами при
помещении их в магнитное поле, продольное (и никак
иначе (!)) главной оптической оси поляриметра.
Угол поворота φ плоскости поляризации пропорционален
толщине образца или кюветы с раствором х, через которую
проходит свет в веществе и намагниченности J вещества,
пропорциональной напряженности H
магнитного поля
(J=χH):
Соленоид с кюветой
Коэффициент пропорциональности V называется постоянной Вердé или удельным магнитным
вращением. В СИ единицы измерения: радиан на Ампер [рад/А].
Постоянная Верде зависит от природы вещества и длины волны λ проходящего в поляриметре
света и для большинства веществ практически не зависит от температуры Т.
Так выглядит установка для
изучения эффекта Фарадея
Разность показателей преломления
необыкновенного ne и обыкновенного no
лучей пропорциональна квадрату
напряженности Мполя Н:
формула Коттона-Мутона
Постоянная Вердé не превышает
нескольких угловых минут на Ампер
(угл.мин./А) :
•для бензола - 2,39 угл.мин./А,
•для воды – 0,016 угл.мин./А,
•этилового спирта – 1,072 угл.мин./А,
•для сероводорода – 0,053 угл.мин./А.14
+11

15.  Эффект Керра

Эффект Керра
Эффект Керра - явление искусственной анизотропии,
возникающей в изотропных средах под воздействием
электрического поля напряженностью Е, с направлением
поперечным (и никак иначе (!)) главной оптической
оси поляриметра.
Ячейка Керра — кювета с жидкостью (например,
нитробензолом), в которую введены пластины
конденсатора, помещается между скрещенными
поляризатором Р и анализатором А поляриметра.
Если поляризаторы скрещены, то в отсутствие поля свет
через ячейку Керра проходит, а через анализатор А - нет.
В электрическом поле между пластинками конденсатора
жидкость становится анизотропной.
Свет, прошедший
через
кювету,вещества
поворачивает
плоскость
Это явление практически безынерционно,
т. е. время
перехода
из изотропного
поляризации, и система становится прозрачной:
состояния в анизотропное при включении поля (и обратно) составляет приблизительно 10–10 с.
при изменении разности потенциалов U между
Поэтому ячейка Керра служит идеальным световым затвором и применяется в
электродами меняется степень анизотропии
быстропротекающих процессах (звукозапись,
воспроизводство
звука, скоростная
фото- и света,
вещества,
а следовательно,
и интенсивность
киносъемка, изучение скорости распространения
света и т.через
д.), в анализатор.
оптической локации, в оптической
прошедшего
телефонии и т. д.
На основе ячеек Керра построены практически безынерционные затворы и модуляторы света с
временем срабатывания до 10-12 с.
Угол поворота φ плоскости поляризации пропорционален
толщине образца или кюветы с раствором х, через которую проходит
свет в веществе и квадрату напряженности Е электрического поля:
где:
— постоянная Керра
— приведённая постоянная Керра
Разность показателей преломления необыкновенного ne
и обыкновенного no лучей пропорциональна квадрату
напряженности Е:
15
+10

16. Явление фотоупругости

Явление фотоупругости - явление искусственной
анизотропии, возникающей в изотропных средах (аморфных
телах), если подвергнуть их механическим нагрузкам,
поперечным (и никак иначе (!)) главной оптической
оси поляриметра.
Изотропное тело (например, оргстекло, эпоксидная и
полиэфирные смолы), подвергнутое упругим деформациям,
может стать анизотропным и изменить состояние
поляризации проходящего света.
Это явление открыто в 1818 г. Брюстером и получило
название фотоупругости или пьезооптического эффекта.
При одностороннем растяжении или сжатии (на рисунке)
тело становится подобным одноосному кристаллу с
оптической осью, параллельной направлению приложенной
силы.
Мерой возникающей при этом оптической анизотропии
служит разность показателей преломления
необыкновенного ne и обыкновенного no лучей.
Опыт показывает, что эта разность пропорциональна
механическому напряжению σ =F/S в данной точке
тела:
где k3 – коэффициент
пропорциональности, зависящий от свойств
вещества.
σ - в СИ в Паскалях [Па].
Поместим модель зуба с полостью под пломбу из
оргстекла между двумя поляризаторами Р и А.
В отсутствие механической деформации интенсивность I
прошедшего света одинакова по образцу.
Если оргстекло подвергнуть деформации сжатия, то
интенсивность прошедшего света уже не будет однородна:
16
видны темные и светлые интерференционные полосы.
+8

17. Явление фотоупругости -2

По распределению темных полос (изохром) можно судить о распределении
механических напряжений
в модели, так как каждая изохрома проходит
через точки, которым соответствует одинаковое максимальное
механическое (касательное) напряжение max.
σ
σ
Где наблюдается наибольшая плотность интерференционных полос там скорее всего сломается в первую очередь.
Это явление широко используется для определения прочности деталей и
костей.
Помещая прозрачные фотоупругие модели между поляризатором и
анализатором и подвергая их различным нагрузкам F, можно изучать
распределения возникающих внутренних напряжений.
17
+4

18. 5. Типы жидких кристаллов: нематики, смектики, холестерики

Жи́дкие криста́ллы (ЖК) — это фазовое состояние вещества, в которое переходят
некоторые вещества при строго определенных условиях (температура, давление,
концентрация в растворе). Жидкие кристаллы обладают одновременно свойствами как
жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия).
По структуре ЖК представляют собой вязкие жидкости, состоящие из молекул вытянутой
или дискообразной формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой
жидкости.
Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию
молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности
для применения их в промышленности.
1. Нематические ЖК.
2. Смектические ЖК
3. Холестерические
ЖК
Шли́рен-ме́тод (от нем. Schlieren — оптическая неоднородность) — способ
обнаружения оптических неоднородностей в прозрачных, преломляющих средах, и
выявления дефектов отражающих поверхностей с помощью поляриметра.
Иногда его называют методом Тёплера — по имени автора, немецкого физика
Августа Тёплера.
Вид в поляризованном свете шлирен-текстур ЖК в
поляриметре.
18
+8

19. Особенности жидких кристаллов

1.
2.
3.
4.
5.
Нематические ЖК (нематики)
Отсутствует дальний порядок в расположении молекул.
Нет слоистой структуры.
Молекулы скользят непрерывно в направлении своих длинных осей (т.н.
директора), вращаясь вокруг них, но при этом сохраняют
ориентационный порядок: длинные оси направлены вдоль одного
преимущественного направления.
Ведут себя подобно обычным жидкостям.
Нематические фазы встречаются только в таких веществах, у молекул
которых нет различия между правой и левой формами, их молекулы
тождественны своему зеркальному изображению (ахиральны).
Смектические ЖК (смектики)
1. Имеют слоистую структуру, слои могут перемещаться
относительно друг друга.
2. Толщина смектического слоя определяется длиной молекул
(преимущественно, длиной парафинового «хвоста»), однако
вязкость смектиков значительно выше, чем у нематиков, и
плотность по нормали к поверхности слоя может сильно
меняться.
Холестерические ЖК (холестерики)
1. Их длинные оси повернуты друг относительно друга так, что они образуют
спирали, очень чувствительные к изменению температуры вследствие
чрезвычайно малой энергии образования этой структуры (порядка 0,01
Дж/моль).
2. Периодическая спиральная структура холестериков определяет их уникальную
особенность — способность селективно отражать падающий свет, "работая" в этом
случае как дифракционная решетка.
3. При фиксированном угле отражения условия интерференции выполняются только
для лучей одного цвета, и слой (или пленка) холестерика кажется окрашенным в
19
один цвет.
+9

20. Принцип получения изображения в ЖК (LCD) мониторе

Рис.1
6
Экраны LCD-мониторов (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические
мониторы) сделаны из вещества (цианофенил), которое находится в жидком
состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими
кристаллическим телам? Из жидких кристалов.
Фактически это жидкости, обладающие анизотропией свойств (в
частности оптических), связанных с упорядоченностью в ориентации
молекул.
Рис.3
5
3 U
4
2
1
6
2
5
3
U
4
2
1
Рис.2
Общий принцип формирования изображения на экране:
яркостью отдельных субпикселей управляет
жидкокристаллическая заслонка 3. В зависимости от
приложенного к ней напряжения U она пропускает больше или
меньше света от задней лампы подсветки 1.
Свет от лампы подсветки 1 (идём по картинке снизу вверх)
проходит сквозь нижний поляризующий фильтр 2. Теперь это
поляризованный поток света.
Дальше свет проходит через полупрозрачные управляющие
электроды ЖК заслонки 3 и встречает на своём пути слой
жидких кристаллов.
управляющего
напряжения
U поляризацию
Изменением
Некоторые
субпиксели так
и останутся ярко
светящимися,
светового
потока
можно
менять
на
величину
до
90уградусов
как левый на рис.2 и самый левый на рис.1,
которого
(на рис.2
слева),
или
оставлять
неизменной
(на
рис.2
справа).
поляризация была изменена на 90 градусов, а некоторые
После
слоя жидких
кристаллов
расположены
5,
погаснут
(как правый
на рис.2
и самыйсветофильтры
правый на рис.1),
после
которых
каждый
субпиксель
окрашивается
в нужный
ведь
верхний
поляризатор
стоит
в противофазе
нижнемуцвет
и не–
красный,
зелёный
илис синий
- с максимальной
яркостью.
пропускает
света
дефолтной
(по умолчанию)
Иными
словами, без верхнего поляризатора 6 мы увидим
поляризацией.
равномерное
свечение по яркостью
всей поверхности
просто
Есть
и субпиксели белое
с промежуточной
(средний
экрана.
на рис.1) – поляризация потока света, прошедшего через
Но стоит
поставить
верхний
поляризующий
фильтр
6 на место
них, была
развёрнута
не на
900, а на меньшее
число
0
0
– и он
«проявит»
все изменения,
которые
градусов,
например,
на 30 или
55 . произвели с
поляризацией
света
жидкие
кристаллы.
Ход лучей через слои ЖК монитора в виде схемы, близкой
к техническому воплощению, выглядят так (рис.3) 20
+12

21. Жидкокристалические дисплеи: принцип

ТN – скрученный нематик.
Тип жидкого кристалла, у которого молекулы
ориентированы на угол 90 градусов по
отношению к каждой поверхности стекла.
Изображение формируется в двух режимах:
позитив и негатив.
В позитивном режиме фон - белый, а
сегменты- черные. В режиме негатива,
наоборот, фон -черный, а сегменты – белые.
Когда два поляризационных фильтра с
решетками скрещиваются, как показано на
рисунке, свет проходит через верхний
фильтр и следует за направлением молекул
жидкого кристалла.
В отсутствие электрического поля свет поворачивается на 90
градусов и, следовательно, беспрепятственно проходит через
нижний фильтр.
Когда к поляризаторам прикладывается напряжение
ориентация молекул жидкого кристалла изменяется и свет в
этом случае не подвергается вращению и, следовательно,
блокируется нижним фильтром.
Тогда экран кажется черным.
21
+6

22. Спасибо за внимание!

Курс физики для студентов 1-2 курса БГТУ
Часть V.
Оптика
Кафедра физики БГТУ
доцент Крылов Андрей Борисович
Спасибо за внимание!
Где наблюдается наибольшая
плотность
интерференционных полос
- там скорее всего сломается
в первую очередь.
Нагруженная модель челюсти в поляризованном свете
2026
22
+1