книги из ГПНТБ / Волкова, Е. А. Поляризационные измерения

Возникновение двойного лучепреломления после приложе­ ния напряжения и его исчезновение после снятия напряжения происходят очень быстро, на это требуется около 10-10 с. Бла­ годаря такой малой инерции явление Керра используют в оп­ тических затворах и для модуляции потока излучения. Оптиче­ ский затвор, состоящий из скрещенных поляризатора и ана­ лизатора, между которыми установлен 'Конденсатор Керра, на­ зывают ячейкой Керра [22]. Пластинки конденсатора погруже­ ны в нитробензол, обладающий большим значением постоян­ ной Керра. При появлении поля между обкладками конден­ сатора возникает двойное лучепреломление и через ячейку проходит свет.

При приложении электрического напряжения к кристал­ лам (так, что направление электрического поля параллельно распространению света) появляется двойное лучепреломление [23, 24]. Это явление называется эффектом Поккельса. В пос­ леднее время широкое применение в технике нашли фазовые пластинки с переменной во времени анизотропией, которая возникает вследствие эффекта Поккельса.

Оптическая анизотропия появляется в телах и под действи­ ем магнитного поля, когда свет распространяется перпендику­ лярно к направлению поля (явление Коттона — Мутона) . Для получения заметного двойного лучепреломления магнитные поля должны быть очень сильными. Характер зависимости двойного лучепреломления от напряженности магнитного по­ ля такой же, как и для электрического. Величина возникаю­ щей в объекте разности хода двух лучей прямо пропорцио­ нальна квадрату напряженности магнитного поля:

к

где С — постоянная Коттона — Мутона; Н — напряженность

магнитного поля.

Значения постоянных Коттона — Мутона для жидкостей [21] (при температуре 20° С и длине волны 578 нм) следующие:

50

ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

Некоторые вещества поворачивают плоскость колебании проходящего через них света. Это свойство называется естест­ венной оптической активностью, а вещества, им обладающие, 'называются оптически активными. Естественную оптическую активность имеют некоторые кристаллы, изотропные вещест­ ва — жидкости и пары, а также растворы некоторых веществ в неактивных растворителях. К таким веществам относится, например, сахар.

Угол поворота плоскости поляризации принято оценивать при наблюдении навстречу лучу. Некоторые вещества враща­ ют плоскость поляризации по часовой стрелке (направо), их называют правовращающими, некоторые — против часовой стрелки (налево), их называют левовращающими. Если после прохождения через оптически активную плас’гинку луч отра­ жается по нормали от плоского зеркала и снова проходит че­ рез ту же пластинку, то по выходе из нее плоскость его коле­ баний будет направлена так же, как у входящего луча. Пусть плоскость поляризации луча, прошедшего первый раз через пластинку, повернется на определенный угол вправо. В луче, проходящем через пластинку второй раз, произойдет поворот плоскости поляризации на угол, равный первому, снова впра­ во. Так как направление света во втором случае обратно пер­ вому, то поворот плоскости поляризации, вызванный первым прохождением, будет компенсирован вторым.

Теория вращения плоскости поляризации предложена Фре­ нелем. Согласно этой теории, линейно поляризованный луч распространяется в оптически активном веществе в виде двух лучей, имеющих разные скорости и поляризованных по левому и правому кругу. Разложим вектор падающего линейно поляри­ зованного света на векторы правого и левого циркулярно по­ ляризованного света, которые располагаются симметрично на­

®., = 2тс — , для левой ®„ = 2*: — , где X ' и X " — длины пра-

1*

вой и левой волн соответственно.

Вектор правополяризованного света прошел целый оборот tpa = q>id, а вектор левополяризованного света за это же время не закончил одного оборота на небольшой угол cpid — <рг. На­ правление колебаний выходящего света повернуто вправо по

отношению к АА на угол ф: Ф= <?g+ Ф илн Ф—

Подставляя в выражение для ф значения ф<г и q>g,

получаем:

О= тс/ к' !."

/ R

Рис. 27. К теории вращения плоскости поляризации

Так как

Угол поворота плоскости поляризации зависит от разности ко­ эффициентов преломления лучей с правой и левой круговой поляризацией. Плоскость поляризации поворачивается в сто­ рону более быстро распространяющегося колебания.

Для наблюдения вращения плоскости поляризации исполь­ зуют установку, схема которой приведена на рис. 28. Световые

52

лучи из источника И проходят светофильтр С и параллельным пучком выходят из линзы Л, после чего надают на поляриза­ тор Я. Поляризатор и анализатор скрещены — поле зрения за­ темнено. После установки между поляризатором и анализато­ ром кварцевой пластинки К с оптической осью кристалла, па­ раллельной оси установки, поле зрения станет светлым (на рис. 28 направление оптической оси кварца нанесено пункти­ ром). Повернув анализатор на определенный угол, можно вос­ становить в поле зрения темноту. Полное затемнение поля зрения получают только для монохроматического света. При освещении установки белым светом после внесения кристалли­ ческой пластинки получить полное затемнение с помощью по­ ворота анализатора не удается.

■>

Рис. 28. Оптическая схема для наблюдения вращения плоскости поляризации

Для пластинки толщиной й угол поворота

где а — удельное вращение вещества для определенной длины волны, т. е. угол (в угловых градусах), на который поворачи­ вается плоскость поляризации линейно поляризованного света, прошедшего пластинку из этого вещества толщиной 1 мм.

Удельное вращение некоторых кристаллов [21] при темпе­ ратуре 20° С следующее:

53

*ны между собой, отличие состоит только в знаке вращения. Знак вращения иногда определяет биологическую активность органических соединений.

Для растворов оптически активных тел в неактивных растворителях Ьио установил следующую зависимость:

где ф — угол вращения плоскости поляризации; d — толщина

54

слоя; с — концентрация активного вещества в данном раство­ рителе (в процентах) и [а] — коэффициент, называемый по­ стоянной вращения (дли удельным вращением) и определяе­

и температуры) называется угол вращения плоскости поляри­ зации, производимого слоем толщиной 10 см, при концентра­ ции оптически активного вещества 100%, т. е. чистым жидким веществом (в таблицах удельное вращение обычно приводится для температуры 20° С ).

Измеряя угол вращения ф раствора вещества с известной

концентрацией, вычисляют удельное вращение [а]= — ". Оона- dc

ружено, что значения удельного вращения, определенные при работе с растворами различных концентраций вещества (в од­ ном и том же растворителе), несколько отличаются друг от друга. Например [28], для сахарозы в воде при 20° С и длине волны 589 нм

[<х]20° = 66,435 + 0,00870 с - 0,000255 с3,

где с — объемный процент сахарозы (на 100 мл).

Удельное вращение растворов глюкозы и фруктозы

быть разными. Например, для 50% -ного раствора камфары в этиловом, метиловом спиртах и бензоле удельное вращение

удельного вращения на молекулярный вес М, деленное на 100:

[М] = [а] М : 100.

Аморфные вещества, активные в твердом состоянии, не те­ ряют активности в расплавленном состоянии или в растворе. С другой стороны, некоторые вещества, неактивные в аморф­ ном состоянии, становятся активными в кристаллическом со­ стоянии. Например, плавленый кварц не активен, в то время как кристаллический кварц обладает значительной оптической активностью.

Исследования показали, что причины оптической активно­ сти скрыты в особенностях строения молекул или в расположе­ нии атомов в кристаллической решетке.

55

КРУГОВОЙ ДИХРОИЗМ

При распространении света в твердых и жидких оптически активных веществах два луча с правой и левой круговой по­ ляризацией, на которые разделяется падающий линейно поля­ ризованный луч, могут поглощаться по-разному. Это свойство вещества называется круговым дихроизмом [29—31]. Для по­ глощающих веществ отношение выходящего монохроматиче­ ского потока излучения Ф к входящему Ф0 составляет

Ослабление света при распространении в поглощающих ве­ ществах характеризуется также величиной х, которую назовем показателем экстинкции. Величина х определяется следующим образом:

_ k'X

где X— длина волны света, откуда

Так как поток излучения пропорционален квадрату ампли­ туды, то значение амплитуды а выходящей волны равно

2r.xl

а — а0е 1 ,

где а 0— амплитуда падающей волны.

Пусть в среде, обладающей круговым дихроизмом, распро­ страняются две волны с круговой поляризацией, имеющие ам­ плитуды а' и а". Они представлены на рис. 29 векторами ОМ' и ОМ", расположенными под некоторым углом. Результи­ рующая выходящая волна будет эллиптически поляризована. Большая полуось эллипса равна сумме амплитуд составляю­ щих колебаний: ОА = а' + а", малая полуось равна их разно­ сти: ОВ = а '—а".

Направление перемещения вектора эллиптически поляризо­ ванной волны соответствует направлению перемещения векто­ ра составляющей с большей амплитудой. Угол ф 'между боль­ шой осью эллипса и направлением колебаний падающего на оптически активную среду линейно поляризованного света за-

56

висит от показателей преломления п' и п" и вычисляется по формуле (27).

Обозначим показатели экстинкции света с правой и левой круговой поляризацией через у/ и у/'. Разность между ними со­ ставляет обычно несколько процентов, поэтому эллиптичность выходящих колебаний также очень мала и определяется при­

Таким образом, эллиптичность колебаний света, выходящего из среды, обладающей круговым дихроизмом, прямо пропор­ циональна разности показателей экстинкции и длине проходи­ мого слоя.

МАГНИТНОЕ ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ

В некоторых веществах, не обладающих оптической актив­ ностью, под действием внешнего магнитного поля наблюдается вращение плоскости поляризации [20]. Это явление открыл Фа­ радей, и оно носит его имя. Явление Фарадея можно наблю­ дать на установке, схема которой приведена на рис. 30.

Образец О служит сердечником постоянного магнита, и свет распространяется вдоль магнитного поля. Когда через катушку идет ток, магнитное поле вызывает поворот от плоско­ сти поляризации проходящего света. Угол поворота измеряют

57

так же, как и в случае естественного вращения. Угол поворота

•ф плоскости поляризации пропорционален длине пути света / в веществе и напряженности магнитного поля Н:

где б — угол между направлением распространения света и направлением магнитного поля; q — коэффициент, зависящий от природы вещества, длины волны и температуры и называе­ мый постоянной Верде. Числовые значения постоянной Верде сравнительно малы. В табл. 1 эти значения приведены для пути света в веществе, равного 1 м.

М

У

■К источнику тока

Рис. 30. Оптическая схема для наблюдения эффекта Фара­ дея

Таблица 1

Постоянная Верде для некоторых веществ [32]

58

Для большинства веществ постоянная Верде имеет поло­ жительное значение. Принято считать, что вещества с положи­ тельной постоянной вращают плоскость поляризации по часо­ вой стрелке при наблюдении вдоль направления магнитного поля. Для веществ с отрицательной постоянной вращение пло­ скости поляризации происходит против часовой стрелки в тех же условиях. Направление вращения плоскости поляризации для каждого вещества связано с направлением магнитного поля. При прохождении светом магнитного поля дважды — один раз в направлении поля и второй раз в противополож­ ном (после отражения от зеркала) — угол поворота удваивает­

с магнитным.

Большой угол поворота плоскости поляризации в магнит­ ном поле возможен в весьма тонких слоях ферромагнитных веществ — железе, никеле, кобальте и др. Для этих материа­ лов не соблюдается пропорциональность вращения напряжен­ ности магнитного поля, указанная в формуле (31), а имеет ме­ сто зависимость вращения от намагниченности материала. Так, например, при магнитном насыщении, длине волны около 600 нм и температуре 20° С постоянные магнитного вращения составляют: для железа 7,5-107 градус/м, для кобальта 6 - 107градус/м и для никеля 1 •107 градус/м. За последние годы синтезированы ферромагнитные кристаллы, прозрачные в ви­ димой и инфракрасной областях спектра. Среди них высокой прозрачностью в инфракрасной области спектра обладает иттриевый гранат (Y3F50 i2). Он нашел широкое применение при изготовлении магнитооптических модуляторов света [33] (устройств, изменяющих по заданному закону (во времени про­ ходящий через них поток излучения). Для иттриевого граната

59