8. Параметрическая кристаллооптика

Изотропное тело, подвергнутое упругим деформациям, может стать анизотропным и изменить состояние поляризации проходящего света. Это явление, открытое в 1818 г. Брюстером, получило название фотоупругости или пьезооптического эффекта (рис. 6.21). При одностороннем растяжении или сжатии тело становится подобным одноосному кристаллу с оптической осью, параллельной направлению приложенной силы. Возникающая при этом разность фаз пропорциональна механическим напряжениям : . Помещая прозрачные фотоупругие модели между поляризатором и анализатором и подвергая их различным нагрузкам, можно изучать распределения возникающих внутренних напряжений.

В 1875 г. был открыт электрооптический эффект Керра, состоящий в возникновении в изотропном теле одноосной анизотропии при наложении постоянного электрического поля (рис. 6.22). Оптическая ось соответствует направлению напряженности приложенного поля, а величина двулучепреломления пропорциональна квадрату напряженности: . На основе ячеек Керра построены практически безынерционные затворы и модуляторы света со временем срабатывания до 10^-12 с. Объясняется эффект Керра анизотропией молекул, описываемой тензором поляризуемости. При наложении внешнего поля молекулы ориентируются вдоль поля осями наибольшей поляризуемости, что и приводит к различным условиям для распространения света ортогональных поляризаций. Большим значением постоянной Керра обладает нитробензол, который часто используется в технических приложениях. Так для конденсатора длиной 5 см и расстоянием между пластинами 1 мм при напряжении 1500 В разность фаз достигает /2, т. е. ячейка Керра работает как четвертьволновая пластинка. В двупреломляющих кристаллах без центра симметрии наблюдается другой вариант электрооптического эффекта – эффект Поккельса, при котором разность показателей преломления n линейно зависит от напряженности электрического поля.

Первым историческим доказательством связи между оптикой и электромагнетизмом стал открытый в 1846 г. Фарадеем эффект магнитооптического вращения (рис. 6.23а). При помещении в продольное магнитное поле плоскость поляризации поворачивается на угол , где V – постоянная Верде, зависящая от свойств вещества и длины волны. Поскольку для заряженных частиц в магнитном поле имеется определенное направление вращения, то условия для право- и левоциркулярных волн оказываются различными. В отличие от естественной оптической активности, при эффекте Фарадея реверсирование направления луча приводит к удвоению угла поворота , что позволяет конструировать оптические вентили (рис. 6.23б)

В оптическом вентиле ячейка Фарадея поворачивает плоскость поляризации на 45^о. Эта ячейка помещена между поляризатором и анализатором, плоскости пропускания которых развернуты тоже на 45^о. При этом плоскость поляризации света, идущего от объекта 1 совпадает с направлением пропускания анализатора A, и свет полностью проходит к объекту 2. Для света, идущего в обратном направлении, вращение плоскости поляризации происходит в ту же сторону по отношению к вектору B, поэтому после ячейки плоскость поляризации света перпендикулярна направлению пропускания поляризатора P, и свет не попадает на объект 1.

Такое одностороннее пропускание оптического вентиля приводит к так называемому парадоксу Вина. Если тела 1 и 2 первоначально имели одинаковую температуру T₀, то из-за попадания части теплового излучения на тело 2, через некоторое время возникнет разность температур: T₁ < T₂. Таким образом, как бы нарушается второе начало термодинамики и становится возможным вечный двигатель второго рода. Предлагается самостоятельно ответить на вопросы: а) возникнет ли разность температур и б) если возникнет, будет ли это достаточно для работы вечного двигателя?

В заключение раздела, посвященного поляризации света, кратко перечислим некоторые оптические явления, оставшиеся вне рамок рассмотрения. Если различные поляризационные компоненты по-разному поглощаются в среде, то говорят о дихроизме (соответственно, линейном или циркулярном). Существует также поперечное магнитооптическое вращение (эффект Фогта). Наконец, различные состояния поляризации наблюдаются при расщеплении атомарных спектральных линий в магнитном (эффект Зеемана) или электрическом (эффект Штарка) поле.