Гиротропия или естественная оптическая активность

Кроме эффекта двулучепреломления пространственная дисперсия в анизотропных средах может проявляться в виде вращения плоскости поляризации или оптической активности (гиротропии). В этом случае по мере прохождения среды вдоль ее оптической оси плоскость колебаний линейно поляризованного света поворачивается на некоторый угол j. В отличие от двулучепреломления, вращение плоскости поляризации объясняется различной скоростью распространения в гиротропной среде право- и левоциркулярного света Действительно, линейное колебание можно представить как векторную сумму двух противоположных по направлению вращений частоты w₀ (рис. 6.18). В случае если скорости этих волн неравны, плоскость поляризации света, прошедшего через оптически активную среду толщиной d, повернется на угол

. (6.10)

Оптической активностью могут обладать не только анизотропные среды типа кристаллов, но и жидкости, содержащие молекулы, структура которых не имеет центров и плоскостей симметрии. К ним относятся практически все биологически активные вещества: белки, сахара, аминокислоты, молекулы которых имеют спиралевидную форму. Угол поворота плоскости поляризации в растворах пропорционален концентрации оптически активного вещества. На этом основан принцип действие сахариметра, в котором по повороту плоскости поляризации определяется концентрация глюкозы.

Все оптически активные вещества могут существовать в двух модификациях: право- и левовращающей, структуры которых представляют зеркальное отображение друг друга. Такие модификации называются стереоизомерами. При химическом синтезе, например глюкозы, правые и левые изомеры образуются в одинаковых количествах, и раствор такого сахара не обладает оптической активностью. Однако глюкоза, полученная в организмах биологическим путем всегда только левовращающая.

Демонстрация оптической активности и стереоизомерии в микроволновом диапазоне реализуется при пропускании поляризованных электромагнитных колебаний через объем, хаотично заполненный пружинами с одинаковым направлением закручивания (рис. 6.19). Характерно, что при заполнении объема в равных количествах левыми и правыми спиралями поворот не наблюдается

В 1811 г. Араго открыл оптическую активность в пластинах кварца, а несколько позже Френель, скомбинировав три призмы из правого (R) и левого (L) кварца (рис. 6.20), доказал существование в нем волн обеих циркулярных поляризаций. Преломление на плос­костях склейки призм для этих поляризаций различно: в правом кварце n₊ < n_-, а в левом – наоборот. Поэтому на каждой грани возникает угловое расхождение двух лучей, которое на выходе из составного параллелепипеда достигает 4 угл. минут.

Матрица Мюллера оптически активной среды содержит четыре ненулевые центральные компоненты: и, будучи умножена на вектор Стокса линейно поляризованного света, действительно приводит к его повороту на угол j. Очевидно, что на сфере Пуанкаре прохождение света через оптически активную среду отображается дугой экватора (для входной линейной поляризации) или параллели (для входной эллиптической поляризации). “Широта места” или параметр эллиптичности при этом не изменяется. Отметим, что при повторном прохождении гиротропной среды в обратном направлении (например, после отражения) поворот плоскости поляризации будет скомпенсирован.