Анизотропия, создаваемая в веществе электрическим полем

Оптически изотропное вещество в электрическом поле приобретает свойства одноосного кристалла с оптической осью, коллинеарной вектору напряженности электрического поля (эффект Керра). При распространении света перпендикулярно оптической оси экспериментально установлено следующее соотношение между показателями преломления обыкновенной и необыкновенной волн:

,

где K – постоянная Керра. Для жидкостей она обычно составляет несколько пикометров на вольт в квадрате. Например, для длины волны 546 нм для жидкого кислорода при 90 К и жидкого азота при 71,4 К она составляет соответственно 10,1 и 4,02 пм/В². Для газов постоянная Керра значительно меньше. Например, для кислорода и азота она соответственно равна 0,45×10^–15 и 0,3×10^–15 м/В² при нормальных условиях. Это обусловлено тем, что эффект Керра определяется свойствами молекул и, следовательно, усиливается с повышением концентрации молекул. Из видно, что при изменении направления электрического поля на обратное оптические свойства вещества не меняются, т.е. оно действительно ведет себя как одноосный кристалл.

При прохождении пути разность оптических путей обыкновенного и необыкновенного лучей равна , а разность фаз между волнами – постоянная Керра.

Для большинства жидкостей В > 0. Постоянная Керра зависит также от длины волны (т.е. имеется дисперсия) и уменьшается при увеличении температуры.

Для объяснения явления Керра надо принять во внимание два физических фактора. Неполярные молекулы в электрическом поле приобретают дипольный момент в направлении поля, а сама молекула при этом переориентируется так, чтобы дипольный момент совпадал с направлением наибольшей поляризуемости молекулы. Следовательно, наибольший показатель преломления оказывается у волны, электрический вектор которой колеблется коллинеарно внешнему электрическому полю, т.е. у необыкновенной волны:

, .

Полярные молекулы во внешнем электрическом поле ориентируются своими постоянными дипольными моментами преимущественно в направлении напряженности поля. При этом направление наибольшей поляризуемости молекулы составляет с электрическим полем, вообще говоря, некоторый угол, в зависимости от которого возможны различные соотношения между n_e и n ₀, т.е. различные значения для B, включая B = 0. Эффект Керра обладает очень малой инерционностью (оптическая анизотропия следует за изменением напряженности электрического поля с запаздыванием порядка 10^–10 с), поэтому он позволяет создать быстродействующие модуляторы свет, называемые ячейками Керра.

Размер ячейки Керра выбирается такой, чтобы ее оптическая длина составляла полволны при определенной напряженности электрического поля.

Р и с. 6.23

Если ячейку поместить между скрещенными николями (рис. 6.23), главные плоскости которых направлены под углом к оптической оси, возникающей в ячейке Керра при наличии электрического поля, то при отсутствии поля ячейка не пропускает свет. При включении поля свет начинает проникать через нее и при определенном значении напряженности поля, когда ячейка действует как пластинка полволны, интенсивность прошедшего света через систему достигает максимального значения.

Анизотропия, создаваемая в веществе магнитным полем (явление Коттона-Мутона)

Оптически изотропное вещество в магнитном поле приобретает свойства одноосного кристалла, ось которого коллинеарна направлению индукции магнитного поля B. Зависимость разности от В при распространении света перпендикулярно индукции магнитного поля выражается соотношением

,

где C – постоянная, характеризующая свойства вещества. Этот эффект очень мал. Его объяснение аналогично объяснению явления Керра. Необходимо отметить, что этот эффект принципиально отличается от явления Фарадея, поскольку зависит от индукции магнитного поля квадратично, а не линейно.

Постоянная С определяется экспериментально. Например, для нитробензола С = 2,25×10^–2 м^–1 Тл^–2. В магнитном поле с индукцией 1 Тл при прохождении светом расстояния 1 м разность фаз равна 0,14 рад.