Оптика и квантовая физика для студентов 2 курса ФТФ и ГГФ

Поляризация волн.
Часть 2.
Лекция 6
Оптические свойства анизотропной среды. Линейное двулучепреломление
Прохождение света через линейные фазовые пластинки
Искусственная оптическая анизотропия. Фотоупругость.
Циркулярная фазовая анизотропия. Электрооптические и магнитооптические эффекты.

Оптические свойства анизотропной среды

- тензор диэлектрической проницаемости
- электромагнитная волна, распространяющаяся в кристалле

Основной признак оптической анизотропии вещества − несовпадение направлений векторов D и E.
- вектор электромагнитной индукции, описывающий поле в веществе

Структура электромагнитной волны в анизотропной среде
Cвет будет распространятся со скоростью υ1, если его электрическое поле (E) совершает колебания вдоль первого главного направления

Величины, характеризующие структуру электромагнитной волны в каждой точке наблюдения
S – вектор плотности потока энергии, показывающий направление распространения энергии;
N– нормаль к плоскости, касательной к волновой поверхности, показывающая направление распространения фазы;
E – напряженность электрического поля волны;
H– напряженность магнитного поля волны;
D– вектор электрической индукции.

Взаимное направление векторов для изотропной и анизотропной сред
Структура волны в изотропной среде (S ↑↑ N, E ↑↑ D)
Структура волны в анизотропной среде(S N, E D)
А – точечный источник света; KL – плоскость, касательная к волновой поверхности.

Эллипсоид лучевых скоростей или эллипсоид Френеля

Нахождение скоростей волн

Одноосные кристаллы

Одноосные кристаллы
Кристаллы
отрицательные
(no > ne)
исландский шпат
no = 1.658, ne = 1.486)

Лучевые поверхности обыкновенной и необыкновенной волн в одноосных кристаллах
положительный кристалл:
отрицательный кристалл:

Особенности обыкновенной и необыкновенной волн

Двойное лучепреломление

Двойное лучепреломление
Прохождение света через кристалл исландского шпата
CaCO3

Луч линейно поляризованного света расщепляется на два при прохождении через жидкую смесь оптических антиподов лимонена.
Двойное лучепреломление в кристалле кальцита
Видео

Построение Гюйгенса в одноосном кристалле

Построение Гюйгенса для нормального падения света
на поверхность отрицательного кристалла

Оптическая ось параллельна поверхности отрицательного кристалла

Условия получения света круговой поляризации

- это оптический элемент, предназначенный для преобразования состояния поляризации проходящего излучения.
Фазовая пластина создаёт определённую разность фаз между ортогональными линейно-поляризованными компонентами светового излучения.
Хроматические фазовые пластины изготовляются на определённую длину волны.
Пластины могут быть
полуволновыми (λ/2),
создающими разность хода ∆ое = (2m+1)λ/2
четвертьволновыми (λ/4),
создающими разность хода ∆ое = (2m+1)λ/4
Фазовые пластинки

Полуволновые фазовые пластины используются для вращения плоскости поляризации линейно-поляризованного излучения. При циркулярно-поляризованном излучении они служат для изменения направления вращения плоскости.
Фазовые пластинки
Четвертьволновые фазовые пластины служат для преобразования линейно-поляризованного излучения в циркулярно-поляризованное или эллиптически-поляризованного в линейное при фиксированной ориентации.

Анализ состояния поляризации света
1. Линейно поляризованный свет
2. Свет естественный и поляризованный по кругу
Ориентация пластинки – любая: ЦПС ЛПС

Анализ состояния поляризации света
3. эллиптически и частично поляризованный свет
Главные направления пластинки совпадают с главными осями эллипса: ЭПС ЛПС

Поляризационные устройства
Призма Николя
no < n′ < ne
nБ = 1,550; ne = 1,486; no = 1,658

Если имеется 8 -10 пластинок, то при падении под углом Брюстера и отраженный и прошедший свет оказываются практически полностью поляризованными.
Стопа Столетова

Поляризаторы
Действие двоякопреломляющего кристалла как поляризатора
Недостатки:
кристалл должен быть однородным и достаточной толщины,
световой пучок должен быть узким

Поляризаторы
Кристаллы турмалина
Поляроиды

Искусственная анизотропия
I. Анизотропия при деформации (фотоупругость)
Деформационное двойное лучепреломление
nо – ne = kσ, где σ – напряжение, k – коэффициент фотоупругости
Применение: фотоупругий метод анализа механических напряжений.

Анизотропия при деформации
В отсутствие механической деформации свет через систему не проходит.
При наличии деформации свет проходит.
По распределению цветных полос можно судить о распределении напряжений в стеклянной пластинке.

II. Анизотропия в электрическом поле (эффект Керра)
Двойное лучепреломление
в электрическом поле
Быстродействие до 10-12 с.

Вращение плоскости поляризации
Схема наблюдения оптической активности

ЛУИ ПАСТЕР (1822-1895)
В 1848 г. сделал свое первое открытие - оптическую изомерию молекул: оптически активные вещества существуют в двух разновидностях – правовращающей и левовращающей, которые являются зеркальным отображением друг друга.
Вращение плоскости поляризации

Многие биологические молекулы могут существовать в двух формах, которые являются зеркальным отражением друг друга. Зеркальные изомеры обладают идентичными физическими свойствами:
одинаковой внутренней энергией, растворимостью, температурой плавления, кипения и т.д.
единственное их физическое различие состоит в том, что они вращают плоскость поляризации проходящего через них света в противоположных направлениях.
В неживой природе левые и правые молекулы содержатся в равных количествах (рацематы).
Вращение плоскости поляризации

Все живое обладает определенной асимметрией
ДНК всегда правосторонние
Белки всегда левосторонние

С (кг/м3) − объемно-массовая концентрация раствора
Вращение плоскости поляризации
в оптически активных кристаллах и чистых жидкостях
в оптически активных растворах
Структура волны на входе в активное вещество (а) и выходе (б).
а)
б)
ЛПВ Еm 2 ЦПВ Е1 и Е2