Волновые поверхности в одноосном кристалле. - раздел Механика, КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
Объяснение Двойного Лучепреломления В Одноосных Кристаллах Бы...
Объяснение двойного лучепреломления в одноосных кристаллах было впервые дано Гюйгенсом в его „Трактате о свете" (1690 г.). Гюйгенс предположил, что обыкновенному лучу соответствует возникновение в кристалле волновой поверхности в виде сферы, а необыкновенному—в виде эллипсоида вращения. Гипотеза Гюйгенса соответствует современным представлениям о природе света и о строении кристаллов.
Анизотропия кристаллов проявляется не только в их макроскопических свойствах (упругость, термическое расширение и т. д.), но и в свойствах тех частиц, из которых они построены. Атомы, ионы или молекулы, из которых построены кристаллы, являются, как правило, анизотропными вибраторами. Анизотропный вибратор вместо одной собственной частоты колебаний (как у изотропного вибратора) имеет в трех вполне определенных взаимно перпендикулярных направлениях три, в общем различные, собственные частоты ω1, ω2, ω3.
Такая анизотропия вибраторов может быть обусловлена либо их асимметрией (молекулы с несимметричным строением), либо характером сил, действующих па каждую частицу в кристаллической решетке. Если направление колебаний электрического вектора в световой волне совпадает, например, с первым из упомянутых выше направлений, то амплитуда вынужденных колебаний определится разностью квадратов частоты света ω и частоты собственных колебаний ω1. Если кристалл повернуть так, чтобы направление колебаний электрического вектора совпало с другим из направлений, например со вторым, то амплитуда вынужденных колебаний определится величиной ω2 – ω12 и т. д. Это ведет к тому, что различным направлениям колебаний в световой волне соответствуют несколько различные роли полос поглощения, а следовательно, и разные скорости распространения. Для одноосных кристаллов две из трех собственных частот совпадают, так что различны только две частоты.
Предположим, что частицы, из которых построен кристалл, обладают собственной частотой колебаний ω1 при колебаниях вдоль направления, параллельного оптической оси кристалла, и собственной частотой колебаний ω2 — при колебаниях, перпендикулярных к оптической оси.
Выделим в кристалле плоскость главного сечения и рассмотрим лучи, исходящие из некоторой точки С (рис. 4.1) в различных направлениях в этой плоскости. Пусть каждый из лучей полностью поляризован и электрический вектор и каждом из лучей колеблется перпендикулярно к рассматриваемому главному сечению кристалла.
На рис. 4.1а направления, параллельные оптической оси, изображены пунктирными линиями, а направления колебаний электрического вектора отмечены точками. Как видно, колебания перпендикулярны к оптической оси для любого из лучей Са1, Са2 и т. д. Благодаря этому световая волна раскачивает вибраторы лишь в направлениях, перпендикулярных оптической оси, которым соответствует одна и та же частота собственных колебаний ω2; следовательно, все лучи, колебания в которых происходят в направлении, перпендикулярном к плоскости главного сечения, распространяются с одинаковой скоростью υ0 . Геометрическое место точек, до которых лучи, исходящие из центра С, будут доходить за одинаковый промежуток времени, представит собой окружность, изображенную на рис. 4.1а сплошной линией. Если мы рассмотрим совокупность всех возможных главных сечений, проходящих через точку С, то геометрическим местом концов всех лучей будет сфера. Так как плоскость поляризации перпендикулярна к плоскости, в которой происходят колебания электрического вектора, то рассматриваемый случай соответствует свету, поляризованному в плоскости главного сечения. Отсюда мы приходим к выводу: лучи, поляризованные в плоскостях главных сечений кристалла, распространяются во все стороны с одной и той же скоростью υ0, они образуют сферическую волновую поверхность такую же, как в изотропной среде, и, следовательно, подчиняются обыкновенному закону преломления. Коэффициент преломления этих лучей n = c/υ0 , где с — скорость света в пустоте.
Рассмотрим теперь лучи, в которых колебания электрического вектора совершаются в плоскости главного сечения (рис. 4.1б). Это соответствует свету, поляризованному в плоскости, перпендикулярной к плоскости главного сечения кристалла. Как видно из рисунка, для различных лучей Са1, Са2, Са3 колебания теперь направлены под разными углами к оптической оси. Например, колебания в луче Са1 перпендикулярны оптической оси, колебания же в луче Са2 параллельны оптической оси. Первый из этих лучей вызывает вынужденные колебания вибраторов с амплитудой, определяемой собственной частотой ω2, и, следовательно, распространяется со скоростью υ0. Второй луч Са2, вызывает колебания вибраторов с амплитудой, определяемой собственной частотой ω1 , откуда и скорость распространения у него должна быть иная, чем у луча Са1,; обозначим эту скорость через υе. Луч, распространяющийся в каком-либо ином направлении, например луч Са3, будет распространяться со скоростью υ`— промежуточной между υ0 и υe. Таким образом, лучам, поляризованным перпендикулярно к плоскости главного сечения кристалла, соответствуют разные скорости распространения в разных направлениях. В результате этого волновая поверхность получится иной формы, чем в, изотропном веществе, а именно, в виде эллипсоида вращения, сечение которого одной из главных плоскостей изображено пунктирной линией на рис. 4.16. Лучи, соответствующие такой волновой поверхности, не подчиняются обычному закону преломления.
Для некоторых кристаллов скорость распространения колебаний, параллельных оптической оси, меньше, чем скорость распространения колебаний, перпендикулярных к оптической оси (υe < υ0). Такие кристаллы называются положительными, для них большая полуось эллипсоидальной волновой поверхности совпадает с радиусом сферической волновой поверхности (рис. 4.2а). Для других кристаллов, называемых отрицательными, υe > υ0. Для них малая полуось эллипсоида совпадает с радиусом сферической волновой поверхности (рис. 4.26). В обоих случаях оптическая ось ОО' проходит через точки соприкосновения эллипсоидальной и сферической поверхностей — вдоль нее скорости распространения лучей, поляризованных в любой плоскости, одинаковы.
Все темы данного раздела:
Образование и распространение волн в упругой среде
Начнем с определения упругой среды. Как можно заключить из названия упругая среда это такая среда в которой действуют силы упругости. Применительно к нашим целям, добавим, что при любом возмущении
Линию, вдоль которой происходит распространение фронта волны, называют лучом.
Нетрудно сообразить, что в изотропной среде луч всегда нормален (перпендикулярен) к волновой поверхности. В изотропной среде все лучи представляют собой прямые линии. Каждая прямая,
Плоскость, проходящая через луч, вдоль которого распространяется волна, и через направление колебаний частиц в ней называется плоскостью поляризации.
Эта плоскость может оставаться одной и той же при перемещении вдоль луча, в таком случае волна называется линейно поляризованной, а может как то менять свою ориентацию в прос
Уравнение волны
При описании волнового процесса требуется найти амплитуды и фазы колебательного движения в различных точках среды и изменение этих величин с течением времени. Эта задача может быть решена, если изв
Поток энергии в волновых процессах
Процесс распространения волны в каком-нибудь направлении в среде сопровождается переносом энергии колебаний в этом направлении. Допустим, что S есть часть фро
Эффект Допплера.
Разберем вопрос о том, какова связь между колебаниями, испускаемыми источником, и колебаниями, воспринимаемыми каким-либо прибором, регистрирующим колебания, если источник и прибор
Стоячие волны
Особым примером результата интерференции двух волн служат так называемые стоячие волны, образующиеся в результате наложения двух встречных волн с одинаковыми амплитудами.
Волновое уравнение
Из курса электричества мы уже знаем, что переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле. Линии этого поля замкнуты, оно существует независимо от элект
Свойства электромагнитных волн
В предыдущем параграфе мы видели, что в электромагнитной волне векторы Е и Н перпендикулярны друг другу. Но кроме того они еще и перпендикулярны напр
Энергия и импульс электромагнитного поля
Наверное вы уже поняли, что основные свойства волн не зависят от их природы. Это касается и такого важного свойства как перенос энергии. Подобно механическим волнам, электромагнитны
Электромагнитная природа света
С самой ранней эпохи еще до древних греков, когда, как об этом говорит легенда, Аполлон разъезжал в огненной колеснице по небу, и до наших дней, когда Тверская утопа
Естественный свет
В предыдущей главе мы назвали простейшей синусоидальную волну вида:
(2.1)
где конечно ω = 2πν . Заметим здесь, такую волну называют ещ
Волновой пакет
Понятие фазовой скорости, введенное нами ранее, применимо только к строго монохроматическим волнам, которые реально не осуществимы, так как они должны были бы существовать неограниченно долго во вр
Законы отражения и преломления света
Первые законы оптических явлений были установлены на основе представлений о прямолинейных световых лучах. Они относились к изменениям направления распространения света при отражении
Геометрическая оптика
Устройство большого числа оптических приборов базируется на представлении о световых лучах, распространяющихся прямолинейно в однородном веществе и испытывающих отра
Увеличение
Выберем в качестве светящегося предмета линию А1В1, перпендикулярную к оси, и построим ее изображение А2В2 (рис. 6.1). Отно
Центрированная оптическая система
Случай преломления на одной сферической поверхности сравнительно редок. Большинство реальных преломляющих систем содержит, по крайней мере, две преломляющие поверхности (линза) или большее их число
Преломление в линзе. Общая формула линзы
Большое значение имеет простейший случай центрированной системы, состоящей всего из двух сферических поверхностей, ограничивающих какой-либо прозрачный хорошо прелом
Глаз как оптическая система
Глаз человека представляет собой сложную оптическую систему, которая по своему действию аналогична оптической системе фотоаппарата. Схематическое устройство глаза представлено на рис. 1. Глаз имеет
Фотометрические понятия и единицы
Воздействие света на глаз или какой-либо другой приемный аппарат состоит прежде всего в передаче этому регистрирующему аппарату энергии, переносимой световой волной. Поэтому, прежде чем рассматрива
Понятие о когерентности
Закон независимости световых пучков, упомянутый ранее, означает, что световые пучки, встречаясь, не воздействуют друг на друга. Это положение было ясно сформулировано Гюйгенсом, который писал в сво
Интерференция волн
В соответствии с определением предыдущего параграфа мы говорим об интерференции волн, когда при их совместном действии не происходит суммирования интенсивностей. Условием инт
Осуществление когерентных волн в оптике
Опыт показывает, что когда два независимых источника света, например две свечи, или даже два различных участка одного и того же светящегося тела посылают световые волны в одну область пространства,
Цвета тонких пластинок
Как было выяснено ранее, при точечных источниках света будут наблюдаться резкие интерференционные картины. В таком случае при любом положении экрана, пересекающего систему поверхностей максимумов и
Кольца Ньютона
Особый исторический интерес представляет случай интерференции в тонком воздушном слое, известный под именем колец Ньютона. Эта картина наблюдается, когда выпуклая по
Интерференция в плоскопараллельных пластинках. Полосы равного наклона
Из соотношения Δ = 2hn cos r следует, что для плоскопараллельной однородной пластинки (h и п всюду одни и те же) разность хода может
Интерферометр Майкельсона
Рассмотрим вначале подробнее одну схему, на которой очень отчетливо выступают все наиболее существенные детали интерференционной схемы.
Эта схема, известная под названием билинзы Бийе, осу
Интерференция немонохроматических световых пучков
Как уже упоминалось интерференция немонохроматического света приводит к сложной картине, состоящей из совокупности максимумов и минимумов, соответствующих разным λ,. Если λ имеет все возм
Принцип Гюйгенса — Френеля
Явления интерференции света во всем их многообразии служат убедительнейшим доказательством волновой природы световых процессов. Однако окончательная победа волновых представлений была невозможна бе
Зонная пластинка
Хорошей иллюстрацией, подтверждающей приведенный метод рассуждения Френеля, может служить опыт с зонной пластинкой. Как следует из сказанного выше, радиус т-й зоны Френеля ра
Графическое вычисление результирующей амплитуды
Рассмотрение вопроса о действии световой волны в точке В (см. рис. 1.4), равно как и многих других аналогичных вопросов, чрезвычайно удобно производить, пользуясь графически
Дифракция Френеля на круглом отверстии
Применение метода Френеля позволяет предвидеть и объяснить особенности в распространении световых волн, наблюдающиеся тогда, когда часть фронта идущей волны перестает действовать вс
Дифракция Фраунгфера от щели
До сих пор мы рассматривали дифракцию сферических или плоских воли, изучая дифракционную картину в точке наблюдения, лежащей па конечном расстоянии от препятствия. И
Дифракция на двух щелях
Рассмотрим опять явление дифракции на щели по схеме, изображенной на рис. 5.2. Положение дифракционных максимумов и минимумов не будет зависеть от положения щели, ибо положение максимумов определяе
Дифракционная решетка
Рассмотрение дифракции на двух щелях показывает, что в этом случае дифракционные максимумы становятся более узкими, чем в случае одной щели. Увеличение числа щелей делает это явлени
Поляризационные приборы.
Для получения из естественного света плоско поляризованного света можно воспользоваться либо поляризацией при отражении под углом Брюстера, либо двойным лучепреломле
Интерференция поляризованных лучей. Эллиптическая и круговая поляризация.
Лучи, обыкновенный и необыкновенный, возникающие при двойном лучепреломлении из естественного свети, не когерентны. Если естественный луч разложить па два луча, поля
Кристаллическая пластинка между николями.
До сих пор мы рассматривали интерференцию поляризованных лучей, колебания в которых происходят во взаимно перпендикулярных направлениях. Рассмотрим теперь интерференцию двух поляриз
Искусственное двойное лучепреломление.
В начале девятнадцатого столетия было открыто возникновение двойного лучепреломления в прозрачных изотропных телах под влиянием механической деформации. Оптическую анизотропию, появ
Двойное лучепреломление в электрическом поле.
Другим примером искусственной анизотропии является анизотропия, возникающая в телах под влиянием электрического поля. Этот вид анизотропии был открыт в 1875 г. Керр
Вращение плоскости поляризации.
В направлении оптической оси свет распространяется в кристалле так же, как и в однородной среде, не давая двойного лучепреломления. Однако было замечено, что в крист
Магнитное вращение плоскости поляризации.
Вещества, не обладающие естественной способностью вращать плоскость поляризации, приобретают такую способность под влиянием внешнего магнитного поля. Явление магнитн
Дисперсия света. Методы наблюдения и результаты
Любой метод, который применяется для определения показателя преломления, — преломление в призмах, полное внутреннее отражение, интерференционные приборы — может служить для обнаружения дисперсии.
Основы теории дисперсии
Плодотворная попытка истолкования богатого материала, полученного экспериментальным путем, была сделана еще в «упругой» теории света. Хотя эта теория не могла связат
Поглощение (абсорбция) света
Прохождение света через вещество ведет к возникновению колебаний электронов среды под действием электромагнитного поля волны и сопровождается потерей энергии последней, затрачиваемой на возбуждение
Ширина спектральных линий и затухание излучения
Уже неоднократно указывалось, что идеальное монохроматическое излучение представляет собой фикцию и что в реальных случаях излучение всегда соответствует некоторому интервалу длин в
Прохождение света через оптически неоднородную среду
Как уже упоминалось ранее, вторичные волны, вызываемые вынужденными колебаниями электронов, рассеивают в стороны часть энергии, приносимой световой волной. Другими словами, распространение света в
Частота и поляризация – основные характеристики света в долазерной оптике
Световая волна, являющаяся волной электромагнитной, характеризуется частотой, амплитудой и поляризацией. Гармоническая (или монохроматическая) волна, распространяющаяся вдоль оси , описывается выра
Роль интенсивности света
В подавляющем числе оптических эффектов, исследованных до создания лазеров, амплитуда световой волны А все же не влияла на характер явления. В большинстве случаев количественные, а тем более
Линейный атомный осциллятор
Взаимодействие света со средой. Причины, по которым в линейной оптике характер явлении не зависит от интенсивности излучения, можно выявить, обратившись к ее теоретическим основам. Известно, что эф
Нелинейный атомный осциллятор. Нелинейные восприимчивости
Движение электрона в поле ядра — это движение в потенциальной яме, имеющей конечную глубину (рис. 1,а). Наглядным, хотя и грубым, аналогом движения электрона в поле ядра и соответству
Причины нелинейных оптических эффектов
Нелинейный отклик атомного или молекулярного осциллятора на сильное световое поле – наиболее универсальная причина нелинейных оптических эффектов. Существуют и другие причины: например, изменение п
Фотоны друг с другом непосредственно не взаимодействуют
В физике используется (и подтверждается) представления о «непосредственном взаимодействии», приводящем к рассеянию частиц друг на друге, к поглощению одних частиц другими, взаимным превращениям час
Однофотонные и многофотонные переходы
Оптические переходы разделяются на однофотонные и многофотонные. В однофотонном переходе участвует, т. е. испускается либо поглощается один фотон. В многофотонном переходе участвуют о
Виртуальный уровень.
На рисунке 1а изображены два однофотонных перехода: сначала поглощается один фотон с энергией и микрообъект переходит с уровня 1 на уровень 2, затем поглощается другой фотон и микрообъект пе
Каким образом микрообъект играет роль «посредника» в процессах преобразования «света» в «свет»?
Рассмотрим различные процессы «превращения» одних фотонов в другие фотоны. Начнем с процесса, представленного на рисунке 2. Микрообъект поглощает фотон с энергией и переходит с уровня 1
Процесс, описывающий генерацию второй гармоники.
Многофотонные процессы, в которых начальное и конечное состояния микрообъекта одинаковы, представляют для нелинейной оптики особый интерес. Выше мы рассмотрели двухфотонный процесс. Далее рассмотри
Некогерентные и когерентные процессы преобразования света в свет
В предыдущем вопросе на примере (элементарных актов взаимодействия фотонов с микрообъектом были рассмотрены различные процессы преобразования света в свет. В одних процессах переходы с поглощением
Тепловое излучение. Закон Кирхгофа
Тепловое излучение — это электромагнитное излучение, возбуждаемое за счет энергии теплового движения атомов и молекул. Если излучающее тело не получает теплоты извне, то оно охлажда
Законы излучения абсолютно черного тела
Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела является универсальной функцией длины волны и температуры. Это значит, что спектральный состав и энергия излучения абсолютно
Фотоэффект
Фотоэлектрический эффект был открыт в 1887 году немецким физиком Г. Герцем и в 1888–1890 годах экспериментально исследован А. Г. Столетовым. Наиболее полное исследование явления фотоэффекта было в
Специальная теория относительности.
В классической физике до появления теории относительности (1905 г.), предполагалось, что любой физический процесс, использованный (как «эталонный») для измерения времени, выявляет
Преобразования Лоренца.
Допустим, что один из законов физики, полученный относительно системы отсчета S, имеет вид
f (x, y, z, t . . . )=0,
а относительно си
Следствия из преобразований теории относительности.
Рассмотрим наиболее важные следствия преобразований Лоренца.
а) Длина тел в разных системах.
Преобразования Лоренца показывают, что одно и то же
Механика теории относительности.
Рассуждения, приведенные выше, показывают, что оптические (и электромагнитные) явления подтверждают кинематику теории относительности, вытекающую из преобразований Лоренца. Естес
Эффект Комптона
Рисунок 1
Особенно отчетливо проявляются корпускулярные свойства света в явлении, которое получило название
Постулаты Бора. Опыт Франка и Герца
В предыдущем параграфе было выяснено, что ядерная модель атома в сочетании с классической механикой и электродинамикой оказалась неспособной объяснить ни устойчивость атома, ни характер атомного сп
Волновые свойства частиц. Соотношение неопределенностей.
В 1923 году произошло примечательное событие, которое в значительной степени ускорило развитие квантовой физики. Французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности
Новости и инфо для студентов