Геометрическая оптика и ее основные законы. Геометрическая оптика

Искусственная анизотропия. Эффекты Покельса и Керра. Модуляция света.

Двойное лучепреломление имеет место в естественных анизотропных средах. Существуют, однако, различные способы получения искусственной оптической анизотропия, т. е. сообщения оптической анизотропии естественно изотропным веществам.
Оптически изотропные вещества становятся оптически анизотропными под действием: 1) одностороннего сжатия или растяжения (кристаллы кубической системы, стекла и др.); 2) электрического поля (эффект Керра*; жидкости, аморфные тела, тазы); 3) магнитного поля (жидкости, стекла, коллоиды). В перечисленных случаях вещество приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого совпадает с направлением деформации, электрического или магнитного полей соответственно указанным выше воздействиям.
Мерой возникающей оптической анизотропии служит разность показателей, преломления обыкновенного и необыкновенного лучей в направлении, перпендикулярном оптической оси:

(195.1)
где k1, k2, k3 - постоянные, характеризующие вещество, s - нормальное напряжение (см. § 21), Е и Н - соответственно напряженность электрического и магнитного полей. На рис. 284 приведена установка для наблюдения эффекта Керра в жидкостях (установки для изучения рассмотренных явлений однотипны). Ячейка Керра - кювета с жидкостью (например, нитробензолом), в которую введены пластины конденсатора, помещается между скрещенными поляризатором Р и анализатором А. При отсутствии электрического поля свет через систему не проходит. При наложении электрического поля жидкость становится двоякопреломляющей; при изменении разности потенциалов между электродами меняется степень анизотропии вещества, а следовательно, и интенсивность света, прошедшего через анализатор. На пути λ между обыкновенным и необыкновенным лучами возникает оптическая разность хода

(с учетом формулы (195.1)) или соответственно разность фаз
где B = k2/λ- постоянная Керра.

Рис. 284
Эффект Керра - оптическая анизотропия веществ под действием электрического поля - объясняется различной поляризуемостью молекул жидкости по разным направлениям. Это явление практически безынерционно, т.е. время перехода вещества из изотропного состояния в анизотропное при включении поля (и обратно) составляет приблизительно 10-10 с. Поэтому ячейка Керра служит идеальным световым затвором и применяется в быстропротекающих процессах (звукозапись, воспроизводство звука, скоростная фото- и киносъемка, изучение скорости распространения света и т. д.), в оптической локации, в оптической телефонии и т. д.
Искусственная анизотропия под действием механических воздействий позволяет исследовать напряжения, возникающие в прозрачных телах. В данном случае о степени деформации отдельных участков изделия (например, остаточных деформаций в стекле при закалке) судят по распределению в нем окраски. Так как применяемые обычно в технике материалы (металлы) непрозрачны, то исследование напряжений производят на прозрачных моделях, а потом делают соответствующий пересчет на проектируемую конструкцию.
ПОККЕЛЬСА ЭФФЕКТ, линейный электрооптический эффект, изменение показателя преломления света в кристаллах, помещённых в электрич. поле, пропорциональное напряжённости приложенного поля. Как следствие этого эффекта в кристаллах появляется двойное лучепреломление или меняется его величина. П. э. наблюдается только у пьезоэлектриков. Был обнаружен в 1894 нем. физиком Ф. Поккельсом, затем длит. время исследовался мало и находил ограниченное применение. Гл. причина — высокие электрич. напряжения (десятки и сотни кВ) для получения заметного эффекта.
Появление лазеров стимулировало исследования П. э. В последние десятилетия было обнаружено и исследовано большое число крист. систем, обладающих большим линейным электрооптич. эффектом и, соответственно, требующих малых управляющих напряжений (порядка десятков или сотен вольт). На основе П. э. разработан ряд устройств управления когерентным оптич. излучением. Почти все созданные модуляторы света основаны на П. э. Важное свойство П. э.— малая инерционность, позволяющая осуществлять модуляцию света до частот ~1013 Гц. Кроме того, из-за линейной зависимости между показателем преломления и напряжённостью электрич. поля нелинейные искажения при модуляции света относительно невелики. Малая инерционность позволяет использовать П. э. для модуляции добротности лазеров, с помощью к-рой получают г и г а н т с к и е по мощности световые импульсы малой длительности. П. э. находит применение также в системах углового отклонения светового пучка и в устройствах создания двумерного оптич. изображения.
В П. э., как эффекте линейном, рассматривается только линейная по полю Е часть изменения коэф. эллипсоида, поэтому где k = 1, 2...6. Коэф. r_ki наз. постоянными Поккельса и определяют величину П. э. различных кристаллах.
МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА (модуляция оптического излучения) - изменение по заданному закону во времени амплитуды (интенсивности), частоты, фазы или поляризации колебаний оптич. излучения. Модуляция света, при которой преобразование излучения происходит в процессе его формирования непосредственно в источнике (генераторе) оптич. излучения, наз. внутренней M. с. При внешней M. с. параметры излучения изменяют после его выхода из источника с помощью модуляторов света. T. к. регистрация излучения модулированного по частоте, фазе или поляризации сопряжена с техн. трудностями, то на практике все эти виды M. с. преобразуют в амплитудную модуляцию либо непосредственно в схеме модулятора, либо с помощью спец. устройств, помещаемых перед приёмником излучения. Простейшая амплитудная M. с.- это периодич. меха-нич. прерывание светового потока с помощью колеблющихся и вращающихся заслонок, призм, зеркал, вращающихся дисков с отверстиями, растров. В широко распространённых модуляторах па основе Поккельса эффекта фазовый сдвиг между обыкновенным и необыкновенным лучами линейно зависит от величины напряжённости электрич. поля, а в модуляторах на основе Керра эффекта - зависимость квадратичная. Для получения амплитудной M. с. электрооптич. вещество обычно помещают между скрещенными поляризаторами. Важным свойством электрооптич. эффекта является его малая инерционность, позволяющая осуществлять M. с. вплоть до частот 10¹² Гц.

36.