ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Элементы оптики кристаллов Описание основных экспериментов из "Волновая оптика " Измерение столь малой силы, действующей на отражающую поверхность (в яркий солнечный день ка 1 м земной поверхности действует сила 0,5 дин), была задачей отнюдь не легкой. Эти трудности усугублялись тем, что в годы, когда экспериментировал Лебедев, техника высокого вакуума была развита слабо. При г1едостаточно высоком разрежении вторичные эффекты (термический и др.) играют большую роль. Достаточно указать, что если наблюдать воздействие света на два помещенных внутри откачанной колбы крылышка, одно из которых сделано блестящим, а второе — зачерненным (именно так часто иллюстрируют явление светового давления), то система начинает вращаться в направлении, противоположном предсказанному теорией. [c.107] Легко показать, что при отражении электромагнитной волны от металлической поверхности должна возникать сила светового давления, совпадающая по направлению с вектором плотности потока электромагнитной энергии S (рис. 2.24). Для количественного описания этого эффекта нужно воспользоваться формулами Френеля с подстановкой в них комплексных значений диэлектрической проницаемости, характеризующих отражение от металла электромагнитной волны. Такие довольно громоздкие вычисления могут явиться полезным упражнением для закрепления понятий, введенных в 2.5. Ниже мы получим выражение для светового давления в самом общем случае. Этот простой вывод будет базироваться на элементарных представлениях электронной теории. [c.108] Важно отметить, что в выражении (2. 32) для силы, действующей на электрон, не фигурирует величина его заряда q. Это облегчает решение задачи о действии электромагнитной волны на площадку о, полностью поглощающую падающее на нее излучение. [c.109] Напомним, что это значение получено в предположении, что площадка а полностью поглощает падающее на нее электромагнитное излучение. [c.109] Таким образом, мы установили, что площадка, полностью отражающая падающее на нее излуче-нир, должна испытывать вдвое большее световое давление, чем площадка, полностью поглощающая свет. Следовательно, имеет смысл постановка опыта, заключающегося в освещении видимым светом вертущки с двумя крылышками, одно из которых посеребрено, а на другое нанесен слой сажи. Сила светового давления, действующая на блестящее крылышко, почти в два раза больше, чем на зачерненное, но, как уже указывалось, выявить этот эффект, маскируемый значительно большими радиометрическими силами, отнюдь не просто. [c.110] Значение этого утверждения в полной мере проявляется в фотонной теории (см. 8.5). На данном этапе изложения материала представляется важным отметить, что существование светового давления и связанного с ним понятия импульса электромагнитного поля может быть доказано в рамках электромагнитной теории света. [c.111] В последнее время световое давление снова привлекло внимание исследователей. Для экспериментов в этой области оказались весьма удобными некоторые свойства лазеров, а именно монохроматичность излучения и эквивалентность лазера точечному источнику света. Лазерное излучение может быть сфокусировано с высокой точностью . При использовании хороших оптических систем (см. 6.8) можно сфокусировать лазерное излучение в пятно с радиусом того же порядка величины, что и длина волны генерации. Простые оценки показывают, что если в фокусе лазерного излучения мощностью 1 Вт (такая большая мощность легко реализуется, например, в аргоновом лазере, генерирующем в зеленой области спектра) оказывается малая частица с массой 10 г, полностью отражающая излучение, то под действием светового давления она должна получить ускорение, в миллион раз превышающее ускорение свободного падения. [c.111] 6 подробно рассмотрена пространственная когерентность лазера, определяющая его эквивалентность точечному источнику, и указаны особенности фокусировки лазерного излучения. [c.111] При освещении кюветы сфокусированным излучением аргонового лазера хорошо наблюдается движение конвекционных потоков частиц, находящихся вне фокуса (рассмотрение действующих в таких условиях сил см. в УФН, 110, 1973). В течение нескольких секунд, а иногда и минут можно наблюдать яркое свечение рассеянного на взвешенной частице лазерного излучения (рис. 2.27). Следует заметить, что в этом эффектном опыте проявляются особенности лазерного излучения, которое можно сфокусировать в пятно диаметра л и создать условия, позволяющие освободиться от вторичных эффектов, которые при использовании тепловых источников во много раз превышают исследуемое явление. [c.112] В предыдущем изложении предполагалась изотропность среды, в которой распространяются электромагнитные волны. Однако в природе существуют тела, не удовлетворяющие этому требованию. Прохождение света в таких средах сопровождается дополнительными эффектами, рассмотрению которых и посвящена эта глава. [c.113] Физическая природа наблюдаемых явлений обусловлена взаимодействием световой волны и вещества, анизотропия которого может быть связана с особенностями строения его молекул или, что чаще имеет место, с особенностями кристаллической решетки, в узлах которой находятся атомы или ионы исследуемого вещества. [c.113] Взаимодействие света с веществом для большинства кристаллов уже не может быть моделировано колебаниями одного осциллятора. Для описания таких анизотропных сред необходимо ввести три различных взаимно перпендикулярных осциллятора и характеризовать три взаимно перпендикулярных направления в кристалле различными значениями показателя преломления. Для широкого класса одноосных кристаллов можно свести описание к колебаниям двух осцилляторов. [c.113] Такие модельные представления подтверждаются огромным экспериментальным материалом. Так, например, при исследовании кристаллов, обладающих высокосимметричной кубической решеткой, отсутствуют оптические эффекты, связанные с различной ориентацией кристалла относительно возбуждающего пучка света. Однако при внедрении в решетку кубического кристалла ионов какого-либо элемента могут образоваться локальные анизотропные центры. При этом кристалл остается макроскопически изотропным, но такая скрытая анизотропия может быть обнаружена при том или ином анизотропном воздействии. Даже полностью изотропное вещество может стать анизотропным под воздействием внешних механических или электрических воздействий. [c.113] Таким образом, оптика кристаллов является весьма специфическим разделом учения о свете, очень важным как по значению, так н по многочисленным приложениям. [c.114] Фундаментальным свойством световых лучей при их прохождении в кристаллах является двойное лучепреломление, открытое в 1670 г. Бартолином и подробно исследованное Гюйгенсом, опубликовавшим в 1690 г. свой знаменитый Трактат о свете, в котором изложены причины того, что происходит при отражении и преломлении и, в частности, при необыкновенном преломлении в кристаллах из Исландии . Двойное лучепреломление в УКВ-диапазоне было открыто лишь в XX в. П. Н. Лебедевым. Это явление играет меньшую роль в различных приложениях, поэтому ограничимся разбором оптических явлений. [c.114] В качестве основного объекта исследования разумно и по сей день выбирать упомянутый выше исландский шпат, хотя почти все кристаллы в той или иной степени обладают этим свойством. Опыт показывает, что при освещении кристалла исландского шпата узким пучком света в нем возникают два луча, которые со времен Гюйгенса называют обыкновенным и необыкновенным (рис.3.1). Этот эффект наблюдается и при нормальном падении света на естественную грань кристалла. Для необыкновенного луча показатель преломления rig зависит от направления луча а кристалле, тогда как Пд — показатель преломления обыкновенного луча — остается постоянным при любом угле падения световой волны на кристалл. В частности, для исландского шпата (для света с длиной волны X = 5893А — желтый дуб.иет натрия) Лц = 1,658, а 1,486 1,658. Следовательно, в данном случае Пе По- Такие кристаллы называют отрицательными. Вместе с тем существует широкий класс веществ (например, кристаллический кварц), для которых л,,. Такие кристаллы называют положительными. [c.114] В исландском шпате оптическая ось совпадает по направлению с линией, соединяющей два тупых угла кристалла ( естественная грань исландского шпата имеет вид ромба с углами около 102 и 78°). Спилим эти углы по плоскостям, перпендикулярным оптической оси (рис.3.2). Пропуская через такой кристалл узкие пучки света, легко убедиться, что двойное лучепреломление всегда отсутствует, если луч в кристалле распространяется параллельно его оптической оси. Следовательно, формулируя понятие оптической оси, имеет смысл говорить о некотором направлении, а не о линии. [c.115] Оба луча, возникающие в кристалле при двойном лучепреломлении, полностью поляризованы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Это явление легко продемонстрировать на опыте пусть свет по выходе из кристалла падает на какой-либо анализатор (поляроид, призма Николя). Повернув его на некоторый угол, мы гасим один луч и пропускаем второй, а повернув анализатор еще на Tt/2, полностью пропускаем первый луч и гасим второй. Анализ таких экспериментов показывает, что колебания вектора Е в обыкновенном луче перпендикулярны плоскости главного сечения, а в необыкновенном луче вектор Е колеблется в плоскости главного сечения (рис. 3.1). [c.115] Такие пластинки изготовляют обычно из кварца, а иногда и из тонких слоев слюды, которая, несмотря на то является двуосным кристаллом, может быть использована в этих целях. Свойства пластинки Х/4 легко проверить, поместив ее между двумя скрещенными поляризаторами. Если при вращении анализатора интенсивность прошедшего света не меняется, то толщина подобрана правильно — на выходе из пластинки Получается циркулярно поляризованный свет. Добавив еще одну такую пластинку, можно снова перевести круговую поляризацию в линейную, в чем легко убедиться вращением анализатора. В по-добных опытах, конечно, должно быть выдержано упомянутое выше условие, т. е. вектор Е в волне, падающей на пластинку, должен составлять угол л/4 с ее плоскостью главного сечения. Это достигается относительным вращением поляризатора и пластинки вокруг направления луча. Здесь следует указать, что если направление колебаний вектора Е в падающей волке совпадает с оптической осью пластинки 1/4 (или с направлением, перпендикулярным этой оси), то через пластинку пройдет лишь одна волна. В таком случае из пластинки выйдет линейно поляризованная волна. [c.117] Очень важно понять, что все эти эффекты наблюдаются при освещении пластинки линейно поляризованным светом. Если освещать ее естественным (неполяризованным) светом, то, конечно, эллиптической поляризации на выходе не будет. Это совершенно ясно, так как естественный свет представляет собой излучение, в котором совершенно не скоррелирована разность фаз между взаимно перпендикулярными колебаниями. Поэтому внесение дополнительной разности фаз S ничего не может изменить в его характеристике. [c.117] Вернуться к основной статье