Под искусственной (индуцированной) оптической активностью понимается появление или изменение оптической активности под влиянием внешних воздействий: электрического или магнитного поля, механических напряжений и т. п. Недавно наблюдалось предсказанное ранее (Желудев, 1964) влияние электрического поля на оптическую активность кристаллов — электрогирационный эффект (Влох, 1971) *): в электрическом поле напряженности Е *) На аналогичный эффект в некоторых сегнетоэлектриках — изменение знака оптической активности при переполяризации кристалла — указали Шувалов и Иванов A964), § 82] ИСКУССТВЕННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ 533 псевдотензор гирации кристалла равен ви (Е) = GIT + A ljkEk + BljklEkEt. (82.1) Внутренняя симметрия псевдотензора А равна е [V2]V (слабой оптической активностью пренебрегаем). Это тензор четного типа (его вид показан в табл. Д. 14)—для любой подсистемы он совпадает с видом тензора VIV2] для энантиоморфного класса этой подсистемы (ср. табл. Д. 11). Хотя тензорам четного типа обращение в нуль обычно не свойственно, этот тензор обращается в нуль для двух подсистем: оо оот и тЗт. Таким образом, в изотропных телах линейный электрогирационный эффект невозможен. В числе классов, в которых этот эффект возможен, много таких, в которых оптическая активность запрещена; они, очевидно, особенно удобны для его наблюдения. Псевдотензор В внутренней симметрии elV2]2 — нечетного типа, поэтому в центросимметричных кристаллах квадратичная электро- гирация невозможна. Тензор такого же вида описывает (до сих пор, по-видимому, не наблюдавшееся) влияние механических напряжений на оптическую активность (Ranganath, Ramaseshnan, 1969). Искусственная оптическая активность под действием магнитного поля, напротив, возможна и в изотропных телах и давно известна. Фарадей еще в 1846 г. обнаружил, что если на изотропное оптически неактивное прозрачное тело, помещенное в однородное магнитное поле, падает в направлении магнитных силовых линий линейно- поляризованный свет, то выходящий из него свет также линейно поляризован, но плоскость его поляризации повернута относительно плоскости поляризации падающего света на угол, пропорциональный длине пути света в веществе и напряженности магнитного поля. Фарадеева оптическая активность объясняется тем, что в магнитном поле тензор диэлектрической непроницаемости кристаллов (и изотропных тел) несколько изменяется. Из термодинамики необратимых процессов следует, что обусловленная магнитным полем напряженности Н комплексная добавка Дт) = g + i\ к тензору диэлектрической непроницаемости х\ удовлетворяет соотношению Дт|,* (Я) = Дг)*/ (—//), или ZMH) = tkj(-fl), ljk{H) = lkf{-H). (82.2) С другой стороны, у прозрачных кристаллов эта добавка (как и весь тензор т)) эрмитова, т. е. вещественная ее часть симметрична, а мнимая— антисимметрична: bk(H) = tkj(H), ljk{H) = -lkj(H). (82.3) Сравнив условия (82.2) и (82.3), найдем, что g— четные, а | — нечетные функции напряженности магнитного поля. В первом при- 534 эффекты высших порядков [гл. IX ближении (82.4) ljk = fikiHh | = Ь//. (82.5) Тензоры С и f удовлетворяют соотношениям Cfklm == Ckjlm = Cjkml = Ckfmh (82.6) fw = -fk». (82.7) Очевидно, наиболее существен эффект, связанный с линейной по Н добавкой if «Я к тензору диэлектрической непроницаемости т). Воспользуемся соотношениями дуальности и заменим антисимметричный по двум индексам псевдотензор f тензором второго ранга F: ^f f/kl = ^jkmPml' (82.8) Тогда вместо (82.5) получим l)k = biklFlmHm, g = IxF.//, (82.9) так что компоненты измененного магнитным полем тензора диэлектрической непроницаемости, если учитывать лишь линейные по Н члены разложения, равны т) + i\ x F/7, а соотношение, связывающее напряженность и индукцию электрического поля световой волны, проходящей через помещенный в магнитное поле кристалл, принимает вид Ei = {y\lk + ibmFlmHm)Dk, E = v)D + iDxFH. (82.10) Оно очень напоминает материальное уравнение оптически активной среды (81.7) и полностью с ним совпадало бы при отождествлении аксиальных векторов F• Н и G• т. Величине жет-С-т, количественно характеризующей оптическую активность в направлении т, соответствует псевдоскаляр m-F-H. Таким образом, прозрачная среда — изотропная или анизотропная — в магнитном поле становится оптически активной: световые волны, распространяющиеся в ней, эллиптически или циркулярно поляризованы. Это и есть эффект Фарадея. Вообще он очень слаб — обычно значительно слабее естественной оптической активности, поэтому наблюдать его можно лишь в оптически изотропной среде или при распространении света вдоль оптической оси кристалла. При этом вызванная магнитным полем искусственная оптическая активность проявляется во вращении плоскости поляризации: плоскость поляризации линейно-поляризованного света, прошедшего через слой толщины d, поворачивается по сравнению с первоначальным своим положением на угол m.f.H (82.11) § 82] ИСКУССТВЕННАЯ ОПТИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ 535 по часовой стрелке. Здесь п0 — показатель преломления волн, распространяющихся вдоль оптической оси, Яо — длина волны света в вакууме, т — единичный вектор волновой нормали, F — тензор коэффициентов Фарадея, Н — напряженность магнитного поля. Если среда оптически изотропна, Fit = F8ih и фарадеево вращение плоскости поляризации характеризуется постоянной Верде V = nnlFIX^ у немагнитных веществ (стекло, вода, сероуглерод) она порядка одной угловой секунды на эрстед X сантиметр. В магнитных материалах эффект значительно сильнее; он пропорционален в этом случае не напряженности магнитного поля, а намагниченности материала. На свет, распространяющийся в направлении т, перпендикулярном к аксиальному вектору F-//, магнитное поле в первом приближении не оказывает никакого влияния; в этом случае нужно учесть квадратичные по Н добавки к компонентам тензора Диэлектрической непроницаемости, определяемые формулой (82.4). Тензор £ = С : НН веществен и симметричен; он описывает искусственное двупреломление: в чистом виде, если направление распространения света совпадает с оптической осью кристалла, и на фоне гораздо более сильного естественного двупреломления в противном случае. Это эффект Коттона —Мутона, совершенно аналогичный рассмотренному в § 77 эффекту Керра, но значительно более слабый *). С — тензор Коттона — Мутона внутренней симметрии [К2]2. Способность вещества приобретать в магнитном поле оптическую активность характеризуется материальным тензором F. Поскольку это свойство проявляют и центросимметричные (в частности, изотропные) вещества, не обладающие магнитной структурой, тензор Фарадея F — четного типа. Отсюда следует, что F-// — вектор магнитного типа, т. е. аксиальный вектор, меняющий направление на обратное при инверсии времени. Так как вектор волновой нормали т при инверсии времени также меняет направление на обратное, m*F-//оказывается, как и m*G«m, псевдоскаляром электрического типа, т. е. симметрии оо оо Г (см. § 68) **). Фарадеева оптическая активность по симметрии существенно отличается от естественной. В то время как естественная оптическая активность имеет место только в винтовых направлениях, фарадеева возможна и в невинтовых. Действительно, центросимметричное тело остается таковым и в магнитном поле, потому что последнее также центросимметрично; таким образом, винтовых направлений в нем нет, а вращение плоскости поляризации тем не менее проис- *) Исключения составляют прозрачные ферро- и антиферромагнитные кристаллы (см. Смоленский, Писарев, Синий, Колпакова, Титова, 1972), **) Подробнее о тензоре Фарадея см, Ranganath A972), 536 ЭФФЕКТЫ ВЫСШИХ ПОРЯДКОВ ГГЛ IX ходит. В кристаллах и изотропных телах, помещенных в магнитное поле, все направления, для которых нормальная составляющая аксиального вектора F-//отлична от нуля, являются аксиальными (см. §§ 14, 44 и приложение В). В таких направлениях отличаются скорости не право- и левополяризованных волн, а волн, у которых направление обхода круга или эллипса поляризации совпадает с направлением аксиального вектора или противоположно ему. Таким образом, при естественной оптической активности, электро- гирации и гипотетической пьезогирации циркулярное (эллиптическое) двупреломление является винтовым, а при эффекте Фарадея в оптически неактивных средах — аксиальным. Различие этих двух типов ярко проявляется, если прошедший через активную среду свет отразить в зеркале и направить по пройденному уже им пути в обратном направлении. При отражении винтовая ориентация света изменяется на обратную (правополяри- зованный свет превращается в левополяризованный), аксиальная же ориентация остается неизменной. Поэтому при винтовом типе циркулярного или эллиптического двупреломления разность хода, приобретенная двумя волнами при движении в прямом направлении, утрачивается ими при движении в обратном направлении; напротив, при аксиальном типе двупреломления разность хода при движении . света в обратном направлении продолжает увеличиваться, что позволяет использовать для усиления эффекта многократное отражение. Однако название «аксиальный» нельзя понимать буквально. Если бы дело было только в аксиальности направления, циркулярное двупреломление аксиального типа наблюдалось бы при распространении света вдоль оптических осей кристаллов центральных классов средней категории C, 4/m, 6/m) в отсутствие магнитного поля, а оно в этих условиях не наблюдается. Из объяснения эффекта Фарадея ясно, что направлениями циркулярного или эллиптического двупреломления аксиального типа могут служить лишь магнитные аксиальные направления, т. е. направления, симметрия которых не выше оо/mm'. Такая диссимметрия направления возможна не только в немагнитной среде под влиянием внешнего магнитного поля, но и в ферромагнитных кристаллах (см. § 70). Поэтому далее фарадеева (аксиальная) оптическая активность рассматривается независимо от того, является она искусственной или естественной. Хотя объяснение естественной фарадеевой оптической активности ферромагнитных кристаллов (см. Кринчик и Четкий, 1969) несколько отличается от приведенного выше объяснения эффекта Фарадея, симметрия в обоих случаях одинакова.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Искусственная оптическая активность» з дисципліни «Основи кристалофізики»
