Физические эффекты с оптическими результатами воздействия

К оптическим результатам воздействия относятся: интенсивность оптического излучения, коэффициент преломления, угол поворота плоскости поляризации и др.

К физическим эффектам с оптическими результатами воздействия относятся: эффекты Поккельса, Керра, Фарадея; фотоупругий эффект и др.

3.3.1. Фотоупругий эффект

Фотоупругий эффект (фотоупругость) – возникновение оп­тической анизотропии в первоначально изотропных средах под действием меха­нических напряжений.

Структурная схема фотоупругого эффекта показана на рис. 3.13.

Фотоупругий эффект проявляется в виде двойного лучепреломления (раздвоение светового луча на два луча – обыкновенный и необыкновенный лучи), как показано на рис. 3.14, и дихроизма (по­явление окраски анизотропного поля в белом свете). Причиной возникновения фотоупругости является зависимость диэлектрической проницаемости вещества от деформа­ции.

Рис. 3.13 Рис. 3.14

По­казатели преломления n ₀ (обыкновенного луча) и n_е (необыкновенного луча) вдоль направления ABи перпенди­кулярно к нему максимально отли­чаются друг от друга. Разность Δn показателей преломления n₀ обыкновенного и n_e необыкновенного лучей является мерой анизотро­пии и пропорциональна величине механического напряжения [11]:

Δ n = (n ₀ – n _e) = k^. F, (3.38)

где Δ n – величина двойного лучепреломления; F – сила; k – упругооптическая постоянная, зависящая от материала.

Фотоупругий эффект обусловлен дефор­мацией электронных оболочек атомов и молекул и ориентацией оптически анизотропных молекул либо их ча­стей, а в полимерах – раскручива­нием и ориентацией полимерных цепей и может проявляться как в твердых телах, так и в жидкостях.

Необходимыми условиями проявле­ния фотоупругости в твердых телах является прозрачность тела.

Жидкости могут обнаруживать оптическую анизотропию, если в них присутствуют молекулы определен­ных видов, в частности длинные цепо­чечные молекулы. В неподвижных жидкостях оси этих молекул расположены беспорядочно, но в жидкостях могут образовываться некоторые области, обладающие кри­сталлическими свойствами, когда жидкость образует тонкий слой, толщина кото­рого соизмерима с длиной цепочки. В таких тонких пленках могут возни­кать стабильные жидкие кристаллы.

При ламинарном течении жидкости анизотропия обнаруживается во всем ее объеме. Это обусловлено тем, что если соседние слои жидкости имеют разные скоро­сти, то длинные цепочечные молекулы стремятся ориентироваться перпендикулярно к градиенту скорости, что приводит к появлению анизо­тропии.

Фотоупругий эффект проявляется на телах любой формы.

Для оценки же­сткости и оптической чувствительности материала используется коэффи­циент качества К_ε, который характеризует оптическую чувствительность материалов по деформациям:

, (3.39)

где Е – модуль упругости; – оптический коэффициент напряженности, или фотоупругая постоянная.

Оптические характе­ристики некоторых материалов при­ведены в табл. 3.7.

 

Таблица 3.7

Материал	Стеклообразное состояние	Высокоэластичное состояние
Сσ^.10^-12, м /Н	Е^.10^-2, МПа	Сσ^.10^-12, м /Н	Е^.10^-5, Па
Стекло	2 - 3		-	-
Плексиглас			-	-
Прозрачные резины	-	-
Прозрачные метал- лы (хлористое серебро)	-	-

Фотоупругий эффект используется для исследования потоков жидкостей, в датчиках перемещения, деформации и др.

3.3.2. Эффект Фарадея

Эффект Фарадея – вращение плоскости поляри­зации линейно поляризованного света в оптически активных веществах под действием магнитного поля.

Структурная схема эффекта Фарадея имеет вид, показанный на рис. 3.15. Магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено возникновением ассиметрии оптических свойств вещества под действием магнитного поля. Направление вращения плоскости поляризации зависит только от природы вещества и направления магнитного поля. Знак вращения отсчитывается для наблюдателя, смотрящего вдоль магнитного поля. Большинство веществ дает правое (положительное) вращение: все диамагнитные и некоторые парамагнитные вещества дают правое вращение; отрицательное вращение дают некоторые парамагнитные вещества.

Угол поворота плоско­сти поляризации света θ может быть определен как

, (3.40)

где С_В – постоянная Верде;
l – длина пути света в вещест-

ве; В – магнитная индукция.

 

Измеряя угол поворота плоскости поляризации света, можно определить индукцию магнитного поля или силу тока, если пре­образователь поместить в магнитном поле измеряемого тока.

Уравнение (3.40) справедливо для составляющей индукции B _l, направленной вдоль пути света. Знак угла θ зависит от направ­ления вектора магнитной индукции, но не зависит от направления света, что позволяет увеличить угол θ, если свет многократно про­пускать через ячейку Фарадея.

Эффект Фарадея используется для измерения магнитной индукции и тока.

При использовании эффекта Фарадея измерение магнитной индукции сводится к измерению угла поворота плоскости поляриза­ции света. При измерении тока магнитная индукция создается измеряемым током.

На рис. 3.16а показан простой магнитооптический преобразователь для измерения тока, который состоит из магнитооптической ячейки Фарадея, расположенной вблизи провода с током [23].

Для повышения чувствительности в преобразователях на основе эффекта Фарадея используется увеличение длины пути прохождения светового луча в ячейке Фарадея за счет многократного отражения(рис. 3.16б) или использование многовитковой ячейки Фарадея из гибкого волоконного световода (рис. 3.16в). Для преобразователя с волоконным световодом зависимость между током и углом поворота плоскости света имеет вид

θ = C_B μ ₀ I _x.(3.41)

 

 

а б в

1 – проводник с током; 2 – ячейка Фарадея; 3 – отражатель света

Рис. 3.16

 

В качестве рабочего вещества для магнитооптических преобра­зователей применяются стекла, содержащие оксид свинца (флинты, кроны) и плавленый кварц. Особенно большую постоянную Верде имеют пленки из феррита-граната, удельное фарадеевское враще­ние плоскости поляризации света в которых на два-три порядка больше, чем в стеклах.

Пример измерителя тока на эффекте Фарадея показан на рис. 3.17.

1– источник света; 2 – поляризатор; 3 – измеряемый ток;

4 – ячейка Фарадея; 5 – анализатор; 6 – фотоприемник

Рис. 3.17

 

В качестве источника оптического излучения 1 используется лазер, свет от которого через поляризатор 2 направляется к преобразователю Фарадея 4. Свет, пройдя через ячейку 4, анализатор 5, принимается фотоприемником 6.

Выходным сигналом является фототок I _Ф или выходное напряжение U_вых:

; , (3.42)

где R_H – сопротивление нагрузки фотоприемника; S_Ф – чувствительность фотоприемника; J _ВЫХ – интенсивность светового потока на входе (на выходе анализатора J _ВЫХ) фотоприемника,

, (3.43)

где J – интенсивность света на входе анализатора; φ – угол между поляризатором и анализатором; θ – угол поворота плоскости поляризации.

Так как угол θ поворота плоскости поляризации зависит от измеряемого тока I_Х, создающего магнитное поле, то по значению выходного сигнала фотоприемника (J _ВЫХ или U _ВЫХ) можно судить о значении измеряемого тока.

3.3.3. Эффект Керра

Эффект Керра заключается в возникновении двулучепреломления поляризованного света, распространяющегося в диэлектрике, помещенном электрическом поле.

Оптически изотропный диэлектрик (твердый, жидкий, газообразный) может стать оптически анизотропным при внесении его во внешнее однородное электрическое поле (эффект Керра). Под действием поля диэлектрик по своим оптическим свойствам становится подобным одноосному кристаллу, оптическая ось которого параллельна направлению поля. Эффект Керра (структурная схема изображена на рис. 3.18) возникает во многих изотропных веществах, но наиболее часто используется нитробензол, который имеет наиболь­ший коэффициент Керра по сравнению с другими веществами (вода, бензол, эпоксидные компаунды и др.).

 

1 – оптически активное

Рис. 3.18 вещество; 2 – конденсатор

Рис. 3.19

 

На рис. 3.19 показано устройство ячейки Керра (преобразователя Керра). Электрическое поле в оптически активном веществе 1 создается с помощью двух электродов 2, на которые подается электрическое напряжение U.

Для монохроматического света, распространяющегося в веществе перпендикулярно вектору напряженности внешнего электрического поля , разность хода для обыкновенного и необыкновенного лучей

, (3.44)

где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества.

Интенсивность света J на выходе ячейки Керра (рис. 3.19) определяется выражением

, (3.45)

где J ₀ – интен­сивность света на входе ячейки; С _k – коэффициент Керра; l _k – эффективная длина ячейки Керра; d –расстоя­ние между электродами.

Одной из характеристик веществ, в которых наблюдается эффект Керра, является постоянная Керра: К = k / n, где n – абсолютный показатель преломления вещества в отсутствие внешнего электрического поля.

Электрооптический эффект Керра используется для изме­рения напряженности электрического поля и напряжения. На рис. 3.20 показано устройство вольтметра на основе эффекта Керра.

1 – лазер; 2 – поляризатор; 3 – оптически активное вещество; 4 – конденсатор;

5 – анализатор; 6 – фотоприемник; 7 – измерительный прибор

Рис. 3.20

Поляризованный луч света, образуемый с помощью источника света 1 (лазер) и поляризатора 2, проходит через электрическое поле в оптически активном веществе 3, создаваемое конденсатором 4, к электродам которого прило­жено измеряемое напряжение U_x. При этом луч света направлен перпендикулярно вектору напряженности этого поля. После ана­лизатора 5свет попадает в фотоприемник 6, где он преобразуется в электрический сигнал, измеряемый прибором 7.

3.3.4. Эффект Поккельса

Эффект Поккельсазаключается в возникновении двухлучепреломления поляризованного света, распространяющегося в диэлектрике, помещенном в электрическом поле.

Структурная схема эффекта представлена на рис. 3.21.

Рис. 3.21 Рис. 3.22

Линейный электрооптический эффект Поккельса наблюдается в пьезоэлектрических кристаллах, находящихся в электрическом поле. В зависимости от направления вектора напряженности электрического поля возникает продольный или поперечный эффекты Поккельса. Продольный эффект сильнее всего проявляется в кристаллах дигидрофосфата аммония NH₄H₂PO₄ или гидрофосфата калия KH₂PO₄. Поперечный эффект сильно проявляется в кристаллах ниобата лития LiNbO₃. На рис 3.22 показана ячейка Поккельса, в которой наблюдается продольный эффект Поккельса. Электрическое поле в кристалле 1 может быть создано при помощи кольцевых электродов 2, к которым приложено на­пряжение U. Интенсивность света J на выходе ячейки Поккельса можно определить из выражения

, (3.46)

где J ₀ и J – интенсивность света на входе и выходе ячейки Поккельса; r ₆₃ – электрооптический коэффициент кристалла; n₀ – показатель преломления кристалла в отсутствие электрического поля; λ – длина волны излучения; l _П – эффективная длина преобразователя Поккельса.

Поперечный эффект сильно проявля­ется в кристаллах ниобата лития LiNbО₃. Эффект Поккельса используется в электрооптических вольтметрах и модуляторах света. Схема вольтметра на основе продольного электрооптического эффекта Поккельса подобна схеме вольтметра на основе эффекта Керра (см. рис. 3.20).

3.3.5. Эффект Доплера

Эффект Доплера – изменение частоты колебаний ω или длины волны λ, воспринимаемой наблюдателем, при движении источника колебаний и (или) наблюдателя относительно друг друга.

Структурная схема эффекта Доплера имеет вид, показанный на рис. 3.23. При распространении гармонической волны с длиной волны λ₀, испускаемой неподвижным источником, в однородной среде с постоянной скоростью неподвижный наблюдатель будет принимать последовательные максимумы волны через временной промежуток t₀ = λ₀/υ, где υ – скорость распространения волны в среде. Если источник движется в сторону наблюдателя со скоростью V << υ, то максимумы гармонической волны будут приниматься наблюдателем через интервалы времени t = λ/υ = (λ₀ – V^. t₀)/υ, меньшие, чем интервалы t₀, то есть частота гармонической волны f = 1/t, воспринимаемая наблюдателем, будет больше частоты волны f₀, испускаемой источником. Эффект Доплера существует для любых волн, наблюдается в двух движущихся относительно друг друга системах отсчета и проявляется на телах любой геометрической формы. Возможно несколько вариантов расположения источника и приемника излучения, при которых обнаруживается эффект Доплера [11].

При движении источника излучения (рис. 3.24а), частота излучения которого f ₀, неподвижный наблюдатель будет воспринимать частоту f ₀,которая может быть найдена по формуле

, (3.47)

где f ₀– частота, испускаемая источником излучения; V _И – скорость источника излучения; υ – скорость распространения волны в среде; θ – угол между направлением скорости источника и направлением от источника к приемнику.

 

а б в

И – источник излучения; П – приемник излучения; РТ – рассеивающее тело

Рис. 3.24

 

При движении приемника излучения (наблюдателя), рис. 3.24б, частота изучения f, воспринимаемая приемником (наблюдателем):

. (3.48)

где V_П – скорость приемника излучения (наблюдателя); δ – угол между направлением скорости приемника и направлением от источника к приемнику.

При одновременном движении приемника излучения (наблюдателя) и источника излучения частота излучения f, воспринимаемая приемником (наблюдателем):

. (3.49)

При приеме неподвижным приемником излучения, рассеянного движущимся телом (рис. 3.24в), частота принимаемой рассеянной волны

, (3.50)

где f ₀– частота, испускаемая источником излучения, падающая на рассеивающее тело; V_Р – скорость рассеивающего тела; θ и δ – углы между направлением падения излучаемой волны на тело и направлением от тела к приемнику.

Различают продольный, поперечный, сложный и аномальный эффекты Доплера. При θ = 0 или θ = π наблюдается продольный эффект Доплера, когда источник излучения движется прямо на наблюдателя или от него. Изменение частоты в этом случае максимально. При θ = π /2 возникает поперечный эффект Доплера, который связан с чисто релятивистским эффектом замедления времени и не имеет волновой специфики. В средах с дисперсией волн может возникнуть сложный эффект Доплера. Аномальный эффект Доплера возникает в случае, если скорость V источника излучения больше скорости υ распространения волны, т. е. V > υ, когда на поверхности конуса углов, удовлетворяющих условию
cos θ = υ/V, знаменатель в формуле обращается в нуль, а доплеровская частота неограниченно возрастает.

Если на движущийся объект направлено излучение с частотой f ₀, то частота отраженного сигнала отличаетсяот f ₀ в соответствии с уравнением Доплера на величину [23]

, (3.51)

где V – скорость объекта; υ – скорость распространения излучения.

Если υ = с, где с – скорость света, то при V < 10⁴ м/с можно использовать приближенную формулу

или , (3.52)

где λ = с / f ₀ – длина волны излучаемого сигнала.

Эффект Доплера нашел широкое применение для измерения параметров движения, например для измерения скорости движения различных объектов, скорости потока жидкости или газа в трубопроводах и других величин. В качестве источника излучения используются источники излучения с частотами от ультразвуковых частот до частот γ-излучения.

3.3.6. Голографический эффект

Голографический эффект заключается в записи, воспроизведении и преобразовании волновых полей. Структурная схема голографического эффекта показана на рис. 3.25.

В основе эффекта лежат явления дифракции и интерференции волн. Если на регистрирующую среду (фотопластинку) одновременно направить две волны А₁ и А₂ (рис. 3.26), то в результате сложения этих двух когерентных волн получится интерференционная картина, в которой распределение интенсивности света описывается выражением [23]

где и – комплексные амплитуды колебаний волн А₁ и А₂; J ₁, J ₂ и φ ₁, φ ₂ – амплитуды и фазы волн А₁ и А₂.

 

Рис. 3.25 1 – лазер; 2 – светоделитель;

3 – фотопластинка; 4 – объект

Рис. 3.26

 

Проявленная фотопластинка с изображением, соответствующим распределению интенсивности света I_∑, названа голограммой. Она содержит информацию о разности фаз волны А₁ (опорная волна) и волны А₂ (сигнальная, или предметная волна) и представляет собой сложную дифракционную решетку. Если голограмму снова осветить опорной волной А₁, то получится новая волна с комплексной амплитудой:

. (3.54)

Члены, содержащие амплитуду и фазу предметной волны, описывают волну, которая образует трехмерное изображение.

Следует отметить, что тонкая фотопластинка позволяет зарегистрировать интерференционное поле опорной и сигнальной (предметной) волн в одном его сечении, информация о распределении плотности потока энергии электромагнитного поля в соседних сечениях теряется. С увеличением толщины фотопластинки на ней зарегистрируются другие сечения. Для получения трехмерного изображения объекта необходимо, чтобы толщина фотоэмульсии была больше длины волны излучения.

Голография широко используется для бесконтактного измерения геометрических размеров, параметров рельефа различных объектов, контроля их состояния и др. Например, для контроля деформации объекта при различных температурах на одну и ту же пластинку последовательно во времени записывают две голограммы контролируемого объекта. Одна голограмма отражает состояние объекта при температуре Т₁, а другая – при температуре Т₂. При восстановлении такой «двойной» голограммы формируются две волны, которые интерферируют между собой. Если состояние объекта изменилось при изменении его температуры (изменились его геометрические параметры), то в результате восстановления голограммы получим изображение, покрытое интерференционными полосами, отражающими характер происшедших изменений.