1.2 Основные оптические характеристики твёрдых тел

Абсолютный показатель преломления - отношение скорости распространения электромагнитного излучения в вакууме с к фазовой скорости излучения в данной среде.

(1.4)

Уменьшение интенсивности излучения в веществе в результате его поглощения характеризуется показателем поглощения

Коэффициент пропускания представляет собой отношение потока излучения, прошедшего сквозь тело, к потоку излучения, упавшего на него.

Коэффициентом отражения называют отношение потока излучения, отражённого данным телом, к потоку излучения, упавшего на него. Характер отражения потока зависит от качества обработки поверхности. В общем случае отражение имеет характер направленно – рассеянного отражения, когда максимум силы отражённого пучка, совпадает с направлением соответствующим закону отражения в геометрической оптике.

Коэффициентом поглощения называют отношение потока излучения, поглощенного данным телом, к потоку излучения, упавшего на него. Величина - безразмерная. Связь между ними устанавливается соотношением

Распространение оптического пучка в диэлектриках связано с двумя эффектами. Первый эффект состоит в преломлении света, т.е. изменении направления распространения пучка на границе раздела двух различных прозрачных сред. Преломление на макроскопическом уровне вызвано различием в скоростях распространения электромагнитных волн и в средах. На микроскопическом уровне преломление объясняется периодическим смешением заряженных частиц (электронов, ионов или молекул) в поле электромагнитной волны и последующим образованием индуцированных диполей, которые излучают вторичные волны на частоте падающего излучения. Сдвиг фаз между падающей и переизлученной волной является причиной изменения фазовой скорости на каждой границе. Преломление характеризуется коэффициентом, называемым показателем преломления и зависящим от диэлектрической (ε) и магнитной ( ) проницаемости среды

(1.5)

Одновременно с преломлением при прохождении границы двух сред часть падающего пучка будет отражаться от границы раздела обратно в первую среду. Механизм отражения также связан с интерференцией первичной волны с переизлученной волной. Коэффициент отражения выражается следующей зависимостью:

(1.6)

где и - показатели преломления первой и второй сред.

В общем случае сумма энергий преломленного и отраженного пучков равна энергии падающего пучка.

Поскольку и анизотропных средах диэлектрическая проницаемость описывается тензором второго ранга, то и показатель преломления имеет форму тензора. Анизотропные среды характеризуются двумя показателями преломле­ния: обыкновенным (характерным для изотропных сред) и — необыкно­венным, зависящим от направления оптического пучка в анизотропном кристалле. Таким образом, в анизотропном кристалле образуются две преломленные линейно поляризованные волны с взаимно перпендикулярной ориентацией. Такое раздвоение первичного неполяризованного оптического пучка на два поляризованных пучка называется двулучепреломлением.

Поскольку значение диэлектрической проницаемости зависит от частоты электромагнитного поля, то и величина показателя преломления также будет различной для разных длин волн оптических пучков. Зависимость показателя преломления от частоты оптического пучка называется дисперсией. В анизотропных средах дисперсия зависит от направления распространения и плоскости поляризации.

В анизотропных кристаллах плоскость колебания поляризованного оптического пучка по мере его распространения изменяет свою ориентацию, т.е. наблюдается вращение плоскости поляризации. Этот эффект называется гирацией. Величина гирации зависит от длины пути оптического пучка в веществе и свойств самого вещества. Второй эффект связан с уменьшением интенсивности оптического пучка, вызываемой поглощением, при его прохождении через вещество. В анизотропных кристаллах поглощение поляризованного пучка отличается для различных направлений распространения пучка и зависит от его поляризации. Эффект анизотропии поглощения называется дихроизмом. Поглощение также зависит от длины волны оптического пучка. Вследствие дихроизма такие вещества бывают различно окрашенными при наблюдении по разным направлениям.

В целом, оба эффекта - преломление и поглощение - можно представить через комплексный показатель преломления :

(1.7)

Внешние воздействия могут изменять оптические свойства диэлектриков, поскольку под их влиянием могут изменяться расстояния между атомами и мо­лекулами и их взаимодействие.

Изменение оптических параметров под действием электрического поля называется электрооптическим эффектом. Он проявляется в изменении показателя преломления. Различают линейный электрооптический эффект, называемый эффектом Поккельса, и квадратичный электрооптический эффект (эффект Керра). Линейный электрооптический эффект описывается с помощью введения поляризационных констант , связанных с показателем преломления обратным соотношением для обыкновенного луча и для необыкновенного луча. Тогда приращение поляризационных констант

(1.8)

где - тензор электрооптического эффекта. В первом из них наблюдается линейная пропорциональность изменения показателя преломления от напряженности электрического поля , имеющая следующий вид:

(1.9)

Линейный электрооптический эффект наблюдается лишь в кристалле, не обладающем инверсной симметрией.

Эффект Керра, при котором показатель преломления изменяется пропорционально квадрату приложенного электрического поля, наблюдается и в оптически изотропных веществах и кристаллах с центром симметрии. Электрическое поле в кристаллах, обладающих электрооптическим эффектом, создает искусственную анизотропию, выражающуюся в отличии показателя преломления по различным осям кристалла. Вследствие этого изменяются скорости распространения оптического пучка вдоль различных осей в зависимости от поляризации, а это в свою очередь приводит к разнице в фазах проходящих пучков. У линейно поляризованного пучка в приложенном электрическом поле происходит изменение плоскости поляризации. Вращение плоскости поляризации в приложенном электрическом поле называется эффектом Фарадея. Электрическое поле изменяет также коэффициент отражения оптического пучка (эффект электроотражения).

Приложение магнитного поля к прозрачному магнитному веществу приводит к изменению поглощения, отражения и преломления, а также к изменению (или возникновению) оптической анизотропии вещества. В первую очередь влияние магнитного поля проявляется во вращении плоскости поляризации оптического пучка. При параллельной ориентации магнитного поля и волнового вектора возникает магнитное круговое двулучепреломление (магнитный эффект Фарадея), пропорциональное напряженности . При распространении оптического пучка перпендикулярно полю возникает квадратичный по поворот плоскости поляризации (эффект Коттона-Мутона).

Упругие деформации оптических материалов приводят также к анизотропии оптических свойств в изотропных материалах или к изменению оптических параметров в анизотропных кристаллах. Этот эффект получил название акустооптического (или упругооптического) эффекта. Вследствие этого эффекта в упругодеформированных диэлектриках изменяются условия распространения оптических пучков, возникают двулучепреломление и дихроизм.

При распространении акустической волны в диэлектрике возникают периодические деформации, создающие пространственную модуляцию оптических свойств. Оптические свойства среды изменяются во времени с частотой акустической волны. Такую среду с периодическим пространственным изменением оптических свойств можно рассматривать как дифракционную решетку, период которой определяется длиной акустической волны. Периодическое чередование оптических неоднородностей изменяет направление распространения оптического пучка, так же как и дифракционная решетка. Если в такой структуре распространяется монохроматический пучок, то в ней помимо основного возникают пучки, отклоненные от направления основного пучка.

Наиболее важными в практических применениях являются такие виды дифракции, как дифракция Рамана - Ната и дифракция Брэгга (рис. 1.1).

Дифракция Рамана - Ната возникает при падении оптического пучка пер­пендикулярно акустическому пучку. Если при малой длине взаимодействия угол между оптическим пучком с длиной волны , и акустическим пучком с длиной волны Λ справедливо условие:

(1.10)

то возникает несколько дифракционных максимумов. Дифракционный угол для m порядка определяется из выражения

(1.11)

где т = 0, ± 1, ± 2, ± 3...; — длина оптической волны; — длина акустической волны (рис. 6.1, а). В режиме Рамана— Ната должно выполняться условие

(1.12)

Рис. 1.1. Схема дифракции света на акустической волне: а — режим Рамана — Ната; б— режим Брэгга

Физической основой режима Брэгга является условие того, что дифрагированный свет из падающего пучка вновь сильно дифрагирует перед тем, как покинуть акустическое поле. В этом случае гасятся все порядки, за исключением одного первого. Брэгговский угол определяется зависимостью

(1.13)

В режиме дифракции Брэгга необходимо выполнение условия

(1.14)

Решетка Рамана-Ната называется тонкой решеткой, а акустическая решетка Брэгга называется толстой.

В диэлектриках возникает ряд эффектов, зависящих от интенсивности оптического пучка. К ним относятся фотохромный и фоторефрактивный эффекты.

Фотохромный эффект состоит в изменении коэффициента оптического поглощения при воздействии на диэлектрик интенсивного оптического пучка, вследствие чего в освещённой области диэлектрик изменяет прозрачность и окраску.

Фоторефрактивный эффект состоит в изменении показателя преломления при облучении диэлектрика интенсивным оптическим пучком. При локальном освещении возникает перенос фотовозбужденных носителей заряда на периферию лазерного пучка, где происходит захват носителей ловушками. В результате создается объемный электрический заряд, поле Е_ин, которого за счет электрооптического эффекта приводит к изменению показателей преломления

(1.15)

где - электрооптический коэффициент.

В сегнетоэлектриках фотоиндуцированное поле Е_ин может достигать значения 10⁷ В/м, а изменение показателя преломления составляет 10^-4 - 10^-3 в зависимости от напряженности фотоиндукции.

Материалы, в которых эти эффекты достаточно велики для практического применения, называются соответственно фотохромными и фоторефрактивными материалами.