Искусственная анизотропия

В изотропном веществе свет распространяется по всем направлениям с одной скоростью. Постоянны и другие физические свойства – твердость, упругость, теплопроводность. Многие изотропные вещества состоят из анизотропных структурных элементов. Но вследствие того, что они ориентированы хаотически, в макроскопических масштабах анизотропия не проявляется. Если же к пластине такого материала приложить внешнее воздействие – сжать ее или изогнуть, – в нем возникнут деформации и появятся выделенные направления. Свойства вещества вдоль этих направлений и поперек них станут неодинаковыми, возникнет анизотропия. Световой луч в таком веществе расщепится на два луча, которые будут распространяться с разными скоростями. Более того: они будут поляризованы во взаимно перпендикулярных направлениях и взаимодействовать не будут.

Внешние воздействия, вызывающие анизотропию, могут проявляться и при механических деформациях, и в электрических, и в магнитных полях.

Анизотропия, возникающая при деформациях.Явление двойного лучепреломления при механических деформациях было открыто Зеебеком (1813 г.) и Брюстером (1815 г.). При одностороннем сжатии или расширении направление деформации становится выделенным и играет роль оптической оси. Для наблюдения этого явления исследуемый образец помещается между двумя скрещенными николями. При приложении нагрузки поле светлеет.

Оптические свойства деформированного таким образом тела соответствуют свойствам одноосного кристалла. Показатели преломления и , соответствующие колебаниям, совершаемым вдоль направления оптической оси и перпендикулярно к ней, максимально отличаются друг от друга. Опыт показывает, что разность , являющаяся мерой анизотропии, пропорциональна величине напряжения , то есть величине силы в расчете на единицу площади: .

Разность хода, приобретаемая лучами при прохождении слоя деформированного вещества толщиной , равна , и, следовательно, разность фаз , где – величина, характеризующая вещество. Разность показателей преломления может быть и положительной, и отрицательной в зависимости от материала. Анализатор, стоящий после пластины, «вырежет» две волны с одинаковым направлением колебаний вектора напряженности. А поскольку их породил один исходный луч, волны будут интерферировать. Малейшие изменения толщины пластинки и величины деформации в ней приводят к возникновению разности хода волн. Вследствие зависимости от при наблюдении в белом свете деформированного образца при скрещенных поляризаторах поверхность образца оказывается покрытой полосами разного цвета. Распределение окраски может служить качественным методом изучения распределения напряжений в прозрачных телах. В частности, этот метод с успехом применяют для обнаружения напряжений, возникающих в стеклянных изделиях, охлаждение которых производилось недостаточно медленно. Для непрозрачных материалов распределение напряжений исследуется с помощью моделей, изготовленных из прозрачных материалов.

Рис. 5.21 Фотография взята из статьи С. Транковского «Поляризованный свет»

В куске стекла, сжатом пассатижами, появятся цветные полосы, которые исчезают после снятия нагрузки. А в закаленном стекле, которое стоит в окнах автомобилей и вагонов, эти напряжения сохраняются и бывают заметны в виде многочисленных радужных пятен. Линейка из прозрачной пластмассы в поляризованном свете покрывается цветными полосами (рис. 5.21).

Поляризационные методы позволяют увидеть, как будет вести себя деталь при работе. Из органического стекла вырезают плоскую модель спроектированной детали и подвергают нагрузке, аналогичной реальной. Цветные полосы будут тем тоньше и расположатся тем гуще, чем выше концентрация напряжений; они укажут на области, с которых начнется разрушение детали.

Полный расчет напряжений затруднителен, поэтому метод в основном используется для качественных исследований. Однако и в таком виде он дает важные сведения, сильно сокращая работу по расчету новых конструкций.

Двойное лучепреломление в электрическом поле.Явление двойного лучепреломления под воздействием внешнего электрического поля было открыто Керром в 1875 г. и носит его имя. Схема наблюдения явления представлена на рис. 5.22.

Главные плоскости николей и составляют некоторый угол (лучше всего ) с направлением электрического поля. Если электрического поля нет, а николи скрещены, то свет не проходит. При наложении электрического поля вещество в ячейке Керра становится анизотропным, и свет, выходящий из нее, оказывается эллиптически поляризованным. Опыт показывает, что для монохроматического света данной длины волны разность пропорциональна квадрату напряженности электрического поля: . Величина зависит от рода вещества и его состояния. Разность хода, приобретаемая лучами в электрическом поле на пути , равна , а разность фаз , где , называется постоянной Керра. Сдвиг фаз пропорционален квадрату напряженности электрического поля и, следовательно, не зависит от его направления.

Численные значения для сильно отличаются для разных веществ. Для нитробензола при = 5 см и = 1 мм при напряжении = 1 500 В. Нитробензол имеет наибольшее значение , поэтому он находит широкое применение в различных технических устройствах. Для других жидкостей постоянная Керра значительно меньше, еще меньше она для газов.

Явление Керра представляет собой явление, теоретически изученное более глубоко, чем анизотропия при деформациях. Это объясняется тем, что явление Керра удалось наблюдать в газах, хотя первые наблюдения были сделаны для твердых тел и жидкостей.

Процессы поляризации молекул и их ориентация в электрическом поле происходят в течение очень короткого времени, поэтому эффект Керра практически безынерционен. Безынерционностью эффекта Керра обусловлено практическое применение этого явления в качестве быстродействующих фотозатворов и модуляторов света, управляемых кратковременными импульсами электрического поля. Керровский модулятор света, питаемый полем высокой частоты, позволяет осуществить прерываний света в секунду. Модуляторы и затворы на эффекте Керра применяются для управления режимом работы лазеров для получения сверхкоротких импульсов очень большой мощности, которые применяются для исследований в области нелинейной оптики.

Анизотропия в магнитном поле.Если анизотропные молекулы среды обладают постоянным магнитным моментом, то их преимущественная ориентация может быть вызвана магнитным полем. В достаточно сильных магнитных полях возникает анизотропия и связанное с ней двойное лучепреломление среды. Среда ведет себя подобно одноосному кристаллу, оптическая ось которого параллельна магнитному полю. Экспериментальная установка для исследования этого эффекта аналогична установке с ячейкой Керра. И законы обоих явлений аналогичны. Разность и соответствующая разность фаз , где и – постоянные, зависящие от свойств среды и ее физического состояния.

Эффект возникновения анизотропии под действием магнитного поля очень мал, но также может использоваться в устройстве фотозатворов и модуляторов света.

Это интересно!

Природная поляризация

При рассеянии света также происходит поляризация электромагнитных волн. Степень поляризации тем выше, чем меньше размеры частиц, на которых происходит рассеяние. Солнечный свет сильно поляризуется, рассеиваясь на молекулах воздуха, причем в разных направлениях относительно Солнца по-разному.

Поляризацию рассеянного света можно наблюдать с помощью николя или поляризационного светофильтра. А можно воспользоваться куском стекла, затемненным с одной стороны. Если на такое стекло падает луч под углом, близким к углу Брюстера, отраженный от него свет будет почти полностью поляризован. Колебания вектора напряженности в отраженном луче перпендикулярны к плоскости падения.

Если Солнце находится в зените, стекло нужно расположить приблизительно в 20 см над уровнем глаз, так чтобы отраженный луч шел к наблюдателю под углом, близким к углу Брюстера. Если теперь поворачиваться вокруг направления луча, идущего от Солнца, держа стекло так, чтобы в нем отражался один и тот же участок неба, то можно обнаружить, что изображение этого участка максимально яркое, если вы стоите лицом или спиной к Солнцу, и темнее, когда вы стоите под прямым углом к этому направлению. Это свидетельствует о поляризованности света, исходящего от этого участка неба. Солнечный свет сильно поляризован в направлении, перпендикулярном направлению на Солнце, а колебания вектора напряженности направлены перпендикулярно плоскости, проходящей через Солнце, наблюдаемую точку и глаз.

Если Солнце стоит низко на западе или востоке, можно проделать следующий эксперимент. Положите затемненное стекло на стол и посмотрите на отражение в нем небольших облаков, расположенных на высоте на юге или на севере, где в этом случае свет неба поляризован сильнее всего. Можно убедиться, что небольшие облака, с трудом различимые в воздухе, отчетливо отражаются в стекле. Это обусловлено тем, что свет их неполяризован и поэтому ослабляется в меньшей степени, чем поляризованный свет неба.

Поляризацию неба можно наблюдать и в сумерках при помощи призмы Николя, вращая ее вокруг оси. Выберите звезду, свет от которой едва различим, и посмотрите, как она будет видна при различных положениях призмы Николя. Так как свет звезды неполяризован, то она будет видна тем лучше, чем темнее фон. Изменение видимости звезды указывают на изменение яркости фона, а, следовательно, на поляризацию излучения неба.

Таким образом, если рассматривать сквозь поляризатор чистое голубое небо, так чтобы Солнце было сбоку, и при этом фильтр поворачивать, то ясно видно, что при некотором положении фильтра на небе появляется темная полоса.

Щетка Гайдингера

Эту полосу некоторые люди могут заметить простым глазом (по данным академика Сергея Вавилова, этой способностью обладают 25–30 % людей) как желтоватую полоску с закругленными концами. Еще слабее заметны голубоватые пятнышки по краям от ее центра. Если плоскость поляризации света поворачивается, то поворачивается и желтая полоска. Она всегда перпендикулярна к направлению световых колебаний. Это так называемая фигура Гайдингера (или щетка Гайдингера), она открыта немецким физиком Гайдингером в 1845 г. Размеры ее весьма значительны, в 8 раз больше диаметра полной Луны, но яркость и контрастность очень малы. Желтая часть фигуры Гайдингера направлена к Солнцу. Это показывает, что колебания вектора напряженности рассеянного света происходят перпендикулярно к плоскости, проходящей через Солнце, молекулу воздуха и глаз.

При определенном навыке и после долгих тренировок многим удается видеть фигуру Гайдингера и без поляризатора, невооруженным глазом. Свыше столетия назад Л.Н. Толстой очень точно описал это явление, определяемое поляризацией света неба и особенностями зрения, о которых не только тогда, но и теперь знает лишь узкий круг специалистов. В 1855 г. в своей повести «Юность», по-видимому, совершенно не подозревая физического смысла явления, он очень четко описал желтое поляризационное пятнышко на фоне неба: «Иногда оставшись один в гостиной, когда Любочка играет какую-нибудь старинную музыку, я невольно оставляю книгу и вглядываюсь в растворенную дверь балкона, в кудрявые висячие ветви высоких берез, на которых уже заходит вечерняя тень, и в чистое небо, на котором, как смотришь пристально, вдруг показывается как будто пыльное, желтоватое пятнышко и снова исчезает...».

До сих пор не вполне понятно, каким образом глаз видит поляризованный свет. Герман Гельмгольц, немецкий физик и естествоиспытатель, много занимавшийся физиологией зрения, считал, что причина кроется в структуре сетчатки. Светочувствительные клетки глаза обладают анизотропией и поглощают синие лучи сильнее, чем желтые. Однако это не объясняет, почему некоторые видят фигуру Гайдингера в виде синей полосы с желтыми пятнами по бокам. Возможно, это связано с различиями в индивидуальной структуре сетчатки. Но все равно остается непонятным, почему, когда глаз устает, некоторым кажется то желтое, то синее пятно.

Из древних скандинавских саг известно, что викинги почти тысячу лет назад пользовались поляризацией неба для навигации. Они смотрели на облачное небо через специальный «солнечный камень», который позволял увидеть на небе темную полоску в 90° от направления на Солнце, если облака не слишком плотны. По этой полосе можно судить, где находится Солнце. «Солнечным камнем» мог быть прозрачный минерал, обладающий поляризационными свойствами, например, исландский шпат. Появление на небе более темной полосы объясняется тем, что проникающий через облака свет неба остается в какой-то степени поляризованным.

Поляризационные эффекты наблюдаются и на таких небесных оптических явлениях, как радуга и гало. Вращая поляризатор, можно сделать радугу или гало почти невидимыми. Это обусловлено тем, что в образовании и радуги, и гало наряду с преломлением участвует отражение света, а оба эти процесса приводят к поляризации. Поляризованы и некоторые виды полярного сияния.

Многие насекомые, например пчелы, различают поляризацию света почти так же хорошо, как цвет или яркость. И так как поляризованный свет часто встречается в природе, им дано увидеть в окружающем мире нечто такое, что человеческому глазу совершенно недоступно. Им достаточно видеть небольшой кусочек синего неба в разрывах облаков, чтобы точно определить направление, ориентируясь в пространстве по степени поляризации неба.

Крабовидная туманность

Поляризован и свет некоторых астрономических объектов. Наиболее известный пример – Крабовидная туманность в созвездии Тельца. Крабовидная туманность – это результат взрыва сверхновой звезды. Хотя взрыв сверхновой в Крабовидной туманности произошел 900 лет назад, туманность продолжает расширяться и светиться. Свет, испускаемый ею, – это так называемое синхротронное излучение, возникающее, когда быстро летящие электроны тормозятся магнитным полем. Синхротронное излучение всегда поляризовано.

На рисунке области различной поляризации окрашены в разные цвета. Составление карт поляризации света источника помогает понять, какие физические процессы рождают такое излучение.

Туманность Яйцо

На снимке, полученном с помощью усовершенствованной камеры для обзоров на космическом телескопе им. Хаббла, приведена фотография туманности Яйцо. Цвета на фотографии условны и предназначены для выделения направления поляризации.

Звезда в центре этой туманности сбрасывает оболочки газа и пыли и медленно превращается в белый карлик. Туманность Яйцо находится от Земли на расстоянии одного светового года. На небе ее можно увидеть в созвездии Лебедя. Плотные слои пыли закрывают от нас центральную звезду, а пылевые оболочки, находящиеся дальше от центра, отражают свет этой звезды. Эффект поляризации проявляется в том, что преимущественное отражение пылью испытывают световые волны, вектор напряженности которых колеблется в плоскости, проходящей через наблюдателя и центральную звезду. Определив ориентацию поляризованного света для туманности Яйцо, можно определить местоположение спрятанного источника.

Поляризация света помогает изучать свойства космической пыли. В обычном излучении звезд имеются волны, колеблющиеся во всех направлениях. Когда поток света встречает на своем пути сферическую пылинку, все эти волны поглощаются одинаково. Но если пылинка вытянута вдоль одной оси, то колебания, параллельные этой оси, поглощаются сильнее, чем перпендикулярные. В потоке света, прошедшем через облако вытянутых, одинаково ориентированных пылинок, присутствуют уже не все направления колебаний, то есть излучение становится поляризованным. Измерение степени поляризации света звезд позволяет судить о форме и размерах пылевых частиц. А иногда по пути поляризации можно определить и электрические свойства межзвездной пыли.

В пределах Солнечной системы наблюдения поляризации электромагнитного излучения позволяют получить ценную информацию о химическом составе облаков, покрывающих планеты, о составе и строении комет и других объектов. Так, по поляризации излучения было обнаружено заметное количество серной кислоты в атмосфере Венеры. Поляризованное излучение комет объясняется рассеянием солнечного света на ориентированных ассиметричных пылинках в голове и хвосте кометы, а также рассеянием солнечного излучения молекулами плотной газовой оболочки, окружающей ядро кометы. Изучение поляризованного излучения комет позволило установить силикатную природу пылинок, входящих в состав головы ряда исследованных комет.

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: