16. Искусственное двойное лучепреломление. Эффект Керра.

В прозрачных аморфных телах, а также в кристаллах кубиче­ской системы может возникать двойное лучепреломление под влия­нием внешних воздействий. В частности, это происходит при меха­нических деформациях тел. Мерой возникающей оптической ани­зотропии служит разность показателей преломления обыкновенно­го и необыкновенного лучей. Опыт дает, что эта разность пропорци­ональна напряжению в данной точке тела (т.е. силе, приходя­щейся на единицу площади): (k— коэффициент пропорции- ональности, зависящий от свойств ве­щества).

Поместим стеклянную пластинку Q между скрещенными поля­ризаторами Р и Р' (рис. 140.1). Пока стекло не деформировано, та­кая система света не пропускает. Если же пластинку подвергнуть сжатию, свет через систему начинает проходить, причем наблюдае­мая в прошедших лучах картина оказывается испещренной цвет­ными полосами. Каждая такая полоса соответствует одинаково де­формированным местам пластинки. Следовательно, по расположе­нию полос можно судить о распределении напряжений внутри пластинки. На этом основывается оптический метод исследования напряжений. Изготовленная из прозрачного изотропного материа­ла (например, из плексигласа) модель какой-либо детали или кон­струкции помещается между скрещенными поляризаторами. Мо­дель подвергается действию нагрузок, подобных тем, какие будет испытывать само изделие. Наблюдаемая при этом в проходящем белом свете картина позволяет определить распределение напря­жений, а также судить об их величине.

Возникновение двойного лучепреломления в жидкостях и в аморфных твердых телах под воздействием электрического поля было обнаружено Керром в 1875 г. Это явление получило назва­ние эффекта Керра. В 1930 г. этот эффект был наблюден также и в газах.

С хема установки для исследования эффекта Керра в жидкостях показана на рис 140.2. Установка состоит из ячейки Керра, помещенной между скрещенными поляризаторами Р и Р'. Ячейка Керра представляет собой герметичный сосуд с жидкостью, в кото­рую введены пластины конденсатора. При подаче на пластины напряжения между ними возникает практически однородное элект­рическое поле. Под его действием жидкость приобретает свойства одноосного кристалла с оптической осью, ориентированной вдоль поля.

В озникающая разность показателей преломления n0 и ne про­порциональна квадрату напряженности поля E: n0-ne=kE²

На пути l между обыкновенным и необыкновенным лучами воз­никает разность хода

и ли разность фаз

Это выражение принято записывать в виде

где B — характерная для вещества величина, называемая постоянной Керра. Из известных жидкостей наибольшей постоянной Керра обла­дает нитробензол Постоянная Керра зависит от темпе­ратуры вещества и от длины волны света.

Эффект Керра объясняется различной поляризуемостью молекул по разным направлениям. В отсутствие поля молекулы ориенти­рованы хаотическим образом, поэтому жидкость в целом не обнаруживает анизотропии. Под действием поля молекулы поворачи­ваются так, чтобы в направлении поля были ориентированы либо их дипольные электрические моменты (у полярных молекул), либо направления наибольшей поляризуемости (у неполярных молекул). В результате жидкость становится оптически анизотропной. Ориентирующему действию поля противится тепловое движение молекул. Этим обусловливается уменьшение постоянной Керра с повышением температуры.

Время, в течение которого устанавливается (при включении поля) или исчезает (при выключении поля) преимущественная ориентация молекул, составляет около 10e-10 с. Поэтому ячейка Керра, помещенная между скрещенными поляризаторами, может служить практически безынерционным световым затвором. В от­сутствие напряжения на пластинах конденсатора затвор будет за­крыт. При включении напряжения затвор пропускает значитель­ную часть света, падающего на первый поляризатор.