Файл: Жевандров, Н. Д. Анизотропия и оптика.pdf

быть полностью лииейно-поляризованпым в направлении, перпендикулярном электрическому вектору возбуждающе­ го света, и пеполяризованным в направлении возбуждаю­ щего электрического вектора. Во втором случае интенсив­ ность излучения очень мала.

При возбуждении резонансного излучения светом, по­ ляризованным по кругу, излучение, наблюдаемое в направ­ лении возбуждения, также поляризовано по кругу с тем же направлением вращения.

6

Рис. 12. Схема переходов, соответ­ ствующих резонансному нзлучспиго (а) и флуоресценции атомов (б)

Рис. 13. Поляризация люминесценции кубического кристалла зависит от взаимной ориентации кристалла и возбуждающего электрического век­ тора »

О\, О2, Оз — осцилляторы излучения, ориентированные вдоль осей кубиче­ ского кристалла

Именно эти предсказанные теорией закономерности и обнаруживаются на опыте.

Атомная флуоресценция, при которой излучение в от­ личие от резонансного происходит с иного уровня, чем тот,

мерности достаточно сложны и полностью могут быть опи­ саны только с помощью кваптовой теории.

Наконец, еще одни пример изотропных сред, которые излучают поляризованную люминесценцию при возбужде­ нии поляризованным светом,— это кубические кристаллы. Симметричное строение их решетки приводит к тому, что

2* 35

они оптически изотропны. Однако их изотропия сущест­ венно отличается от изотропии, например, жидких раство­ ров. Осцилляторы излучения в кубических кристаллах не образуют хаотически равномерной макроскопической си­ стемы, а строго ориентированы вдоль осей симметрии кри­ сталла. Но при изотропном возбуждении результат полу­ чается таким же, как и в случае жидких растворов,— лю­ минесценция не поляризована. Отличие от растворов про­ является в том, что прп лпнейно-поляризоваином возбуж­ дении результат зависит от ориентации кристалла относи­ тельно электрического вектора возбуждающего света. При ориентации Е под 45° относительно осцилляторов О, и 0-, (рис. 13) люминесценция не поляризована. Зато при такой ориентации, когда электрический вектор Е> или E¡ со­ впадает с одним из осцилляторов излучения, степень по­ ляризации люминесценции будет максимальной (соответ­ ственно+100% и —100%).

Это существенно отличает данный случай от жидкого раствора.

Можно сказать, что кубические кристаллы обладают внутренней скрытой анизотропией, которую можно про­ явить с помощью поляризованного возбуждения.

Экспериментально поляризованная люминесценция описанного типа была открыта и исследована на монокри­ сталлах флуорпта CaF2 и др.

Эффект Зеемана

Открытие в конце XIX в. этого явления, названного по имени его первооткрывателя, было важным шагом в исто­ рии оптики. Как и эффект Фарадея, оно показало тесную связь оптических и магнитных явлений. Для нас этот эф­ фект представляет интерес потому, что он связан с излу­ чением поляризованного света.

Схема экспериментальной установки, на которой мож­ но продемонстрировать расщепление спектральных линий, показана на рис. 14.

Источник света S с линейчатым спектром помещен между полюсами сильного электромагнита. Наблюдение спектра может осуществляться вдоль магнитного поля по направлению а (продольный эффект) и поперек ноля по направлению b (поперечный эффект). В том и другом па-

36

правлении анализируются спектр и поляризация света в магнитном поле и без него.

Для простых одиночных спектральных линий (напри­

рис. 15. Неполяризованная линия с частотой ѵ при нало­

Рис. 14. Схема установки для исследования аффекта Зеемана

Рис. 15. Эффект Зеемана

a) поля нет (свет не поляризован) ; 6) продольный эффект; в) поперечный эффект

линии с частотами ѵ — Дѵ, ѵ и ѵ-(- Дѵ. Все три линии ли­ нейно поляризованы, ио крайние — перпендикулярно нап­ равлению магнитного поля В, а средняя линия — вдоль поля. Эта липпя с неизмененной частотой называется я-компопептои, а обе лнинн с измененной частотой — о-компопептами. Величина смещения частоты пропорцио­ нальна индукции В магнитного поля. По интенсивности л-комнонента вдвое сильнее каждой из о-компонент.

37

Попробуем объяснить это явление. Гармоническое ко­ лебание электрона в атоме всегда можно для простоты и наглядности разложить на произвольные компоненты, лишь бы их сумма всегда давала исходное колебание. Разложим колебание электрона па гармоническое линей­ ное колебание вдоль направления магнитного поля В и на два равномерных круговых движения — правое и левое — в плоскости, перпендикулярной В. На движущийся в маг­ нитном поле электрон действует со стороны магнитного поля спла, называемая силой Лоренца, направление кото­ рой определяется школьным правилом левой руки, а ве­ личина зависит от величины В п от угла между В и нап­ равлением движения заряда:

^лор = еѵВ sin (и, 5),

где е — заряд электрона, ѵ — его скорость. Поэтому дейст­ вие поля В па линейно поляризованную компоненту равно

нулю [sin (и, В) = 0], а действие поля па круговые ком­ поненты выразится силой, направленной по радиусу в од­ ном случае к центру, в другом — от центра. Изменение центростремительной силы приводит к изменению часто­ ты вращения. Это изменение частоты равно

где т— масса электрона, т. с. действительно пропорцио­ нально В. А колебание вдоль поля сохраняет первоначаль­ ную частоту V. Таким образом, излучение осциллятора состоит из трех частот: ѵ (л-компонента) пѵ± Аѵ (о-ком- поиеиты). В направлении, перпендикулярном полю, зт-ком- понеита линейно поляризована по полю (в соответствии с направлением колебаний этой компоненты осциллятора), а о-компоиеиты представляются линейно поляризованны­ ми перпендикулярно нолю (так как направление наблюде­ ния лежит в плоскости круговых колебаний). При наблю­ дении вдоль поля л-компоііеита нс излучается вследствие поперечностп световых колебаний, а о-компоиенты поля­ ризованы по правому п левому кругу.

Такая классическая модель полностью объясняет эффект Зеемана.

Столь же полно явление можно объяснить и с кванто­ вой точки зрения. Во внешнем магнитном поле происходит

38

расщепление уровней, соответствующее дискретным воз­ можностям ориентации момента количества движения от­ носительно направления поля и определяемое магнитным квантовым числом т. Излучательные переходы с образо­ вавшихся уровней согласно правилам отбора дают лпией- но-поляризоваипый свет при А/и = 0 (я-компоиента) я циркулярно- (право- и лево-) поляризованный при А = = ±1 (о-компоненты).

Описанное явление называется нормальным эффектом Зеемана и наблюдается на простых одиночных спектраль­ ных линиях.

Линии, обладающие сложным строением (мультиплѳты), дают в магнитном поле более сложное расщепление на я- и о-компоненты, называемое аномальным эффектом Зеемана.

Расщепление спектральных линий на я- и о-компонен­ ты в сильных электрических полях называется эффектом Штарка.

Эффект Штарка и аномальный эффект Зеемана нельзя объяснить на основе классических представлений, они ин­ терпретируются только с помощью квантовой механики.

Свечение Вавилова—Черенкова

Этот принципиально новый впд излучения света сопровожу дает движение заряженных частиц (например, электро­ нов) в среде (например, в водб) со скоростью, превышаю­ щей фазовую скорость света в данной среде ’. Не вдаваясь в подробное объяснение свойств этого интереснейшего яв-

Рнс. 1C. Поляризация излу­ чения Вавилова—Черенкова

ОА — направление излучения; 00 — направление движения частиц

1 Здесь нет противоречия со специальной теорией относитель­ ности, утверждающей, что не может быть скорости, превышаю1щей скорость света в вакууме.

39

ленпя, отметим только то, что представляет для пас нбносредствеииый интерес.

Излучение Вавилова — Черенкова можно изобразить в виде конуса, ось которого совпадает с направлением дви­ жения частиц (рнс. 16). Электрический вектор излучения лежит в плоскости, содержащей направление скорости частицы и направление излучения. Поэтому при наблюде­ нии в строго определенном направлении свет будет ли- нейно-нолярнзованиым. При интегральном же наблюде­ нии всего потока излучения он будет представляться неполярпзованным. Можно сказать, что в этом случае он будет обладать «скрытой» полярпзацпей.

Поляризация излучения лазеров

В последипе годы получил широкую известность новый тип мощных источников света, называемых лазерами. Из­ лучаемый пмп свет отличается не только большой мощ­ ностью, но її важными физическими свойствами — строгой направленностью, когерентностью и др. Когерентность оз­ начает согласованность фаз излучаемых световых волн. Только такие волны могут давать устойчивую интерфе­ ренционную картину.

Обычные источники испускают свет некогерептиый, потому что элементарные акты испускания света отдель­ ными атомами или молекулами в них никак не согласова­ ны между собой. В лазерах же сам принцип действия ос­ нован на такой согласованности.

Работа лазера базируется на установленном Эйнштей­ ном законе стимулированного или вынужденного испуска­ ния света возбужденной системой под действием стиму­ лирующего света. В некотором веществе (рабочем теле лазера) производится предварительное возбуждение ато­ мов или молекул, переводящее их на возбужденный уро­ вень. Этот процесс называется оптической накачкой и осуществляется обычно с помощью мощного источника света, поглощаемого рабочим телом (например, с помощью мощной импульсной лампы). В результате оптической на­ качки больше атомов или молекул оказывается в возбуж­ денном состоянии, чем в основном. Если затем на такую систему подействовать квантами света с энергией, равной разности энергий возбужденного и основного уровней, то

40

этот свет вызовет индуцированные переходы с излучением у некоторых возбужденных атомов, что в свою очередь

светом может служить собственная люминесценция рабо­ чего тела.

В качестве рабочего тела могут быть выбраны в прин­ ципе любые вещества (твердые, жидкие и газообразные), обладающие подходящими уровнями. Однако многочислен­ ные технические и технологические трудности весьма ос­ ложняют выбор веществ для лазеров. Широкое распрост­ ранение получили лазеры па кристаллах рубина и газовые лазеры на смесях гелия и неона.

Для работы лазера необходимо соблюдение еще одного важного условия. Нужно, чтобы мощность индуцирован­ ного излучения компенсировала уход энергии света как в виде самого лазерного луча, так и в виде непроизводитель­ ных потерь (поглощение света стенками, в которых за­ ключено рабочее тело, и т. и.). Для этого рабочее тело помещают в резонатор. Роль его могут играть полупроз­ рачные зеркала, ограничивающие торцы рабочего тела. При использовании рубина серебрятся полированные тор­ цы цилиндрического рубинового стержня. Резонатор на­ капливает ранее излученную молекулами энергию и с по­ мощью индуцирования управляет излучением молекул в последующие моменты времени.

Резонатор обладает свойством усиливать преимуще­ ственно такое излучение, которое изначально имеет боль­ шую интенсивность. Поэтому излучаемая спектральная по­ лоса сужается и луч лазера характеризуется очень высо­ кой монохроматичностью.

Нечто подобное должно иметь место и в отношении поляризации излучения. Это свойство можно назвать анизотропией оптического усиления.

Излучение газовых лазеров, как правило, не поляризо­ вано. Это естественно, так как не поляризована исходная собственная люминесценция хаотической совокупности молекул, образующих газ. Ни у одного из направлений нет преимущества. Если, однако, каким-либо способом (например, наложением внешнего электрического поля) создать преимущественное направление, иемедлеипо проя-

41

внтся так называемая анизотропия оптического усиления п излучение станет полярпзоваппым. Преимущественная компонента будет усиливаться сильнее, чем другая, пер­ пендикулярная ей, и в результате поляризация будет воз­ растать, приближаясь к полностью линейной. Но стоит только устранить искусственно введенный фактор анизо­ тропии (внешнее поле), как нзлучепнс лазера вповь ста­ нет пеполяризоваппьтм.

В ряде работ экспериментально исследованы поляриза­ ционные характеристики излучения рубиновых лазеров. Прежде всего поляризация зависит от кристаллографиче­ ской ориентации мопокрпсталлического рубппового стерж­ ня. Наиболее четкий п повторяющийся в опытах различ­ ных авторов результат получеп для стержней, геометри­ ческая ось которых перпендикулярна оптической оси (рубип — одпооспый кристалл). В болыпппстве случаев из­ лучение лазера оказывалось линейно-поляризованным, причем электрический вектор был перпендикулярен глав­ ной плоскости кристалла (т. с. плоскости, содержащей на­ правление луча и оптическую ось). Некоторые исследова­ тели, правда, замечали, что такую поляризацию лазер да­ ет только в начале работы, а после достаточно большого числа импульсов появляется слабая компонента излуче­ ния, поляризованная в главной плоскости. Возможно, это связано с изменением свойств слоев поссрсбреппя па тор­ цах рубинового стержня.

Обычная фотолюминесценция монокристалла рубина с такой же длиной волны, как у излучения лазера, Ä, = = 6942 А (так называемая линия Ai), частичпо линейно поляризована (степепь поляризации около 80%) и пре­ имущественная компонента также перпендикулярна глав­ ной плоскости. Имеипо в этом причина линейной поляри­ зации излучения лазера.

Первые данные, полученные в опытах со стержнями рубина, геометрические осп которых параллельны опти­ ческой оси, показали, что в этом случае излучение лазера не поляризовано. Это согласуется с тем обстоятельством, что и обычная фотолюминесценция с длиной волпы X, прп наблюдении вдоль оптической оси также не поляризована. Этого следовало ожидать, поскольку оптическая ось всегда является осью симметрии.

Позже вскрылась более сложная картина поляризации. При этом данные разных авторов по всегда согласуются

42

Между собой. Обнаружено наличие поляризации и при наблюдении вдоль оптической оси, причем поляризация меняется со временем ц зависит от энергии накачки. Пока­ зано, что наличие или отсутствие поляризации излучения лазера ыа рубиновом стержне, ось которого совпадает с оптической осью, зависит от совершенства кристаллов, на­ личия примесей, от свойств резонатора (в частности, от его симметрии или асимметрии). Установлено, что с воз­ растанием энергии накачки степень поляризации излуче­ ния лазера уменьшается.

Во многих случаях замечено, что поляризация излуче­ ния различна в различных областях торца кристалла. Причина этого, по-видимому, связана с качеством и не­ однородностью кристалла, а также с типом и числом воз­ никающих в кристалле световых колебаний (мод).

Понимание всех этих явлений затрудняется еще и тем, что поляризация собственной фотолюминесценции моно­

Степень поляризации многочисленных линий и полос лю­ минесценции имеет самые различные значения.

В настоящее время в излучении лазеров есть еще мно­ го неясных явлений, факторов, деталей, как принципиаль­ ных, так и технических. В частности, это относится и к поляризации излучения лазеров.

Несомненно, что при использовании лазеров для прак­ тических целей поляризация излучения может найти по­ лезное применение.

Поляризация излучения наблюдается и во многих дру­ гих случаях.

Поляризовано тепловое излучение раскаленных ани­ зотропных материалов, например кристаллов турмалина.

Обнаружена также поляризация излучения поверхно­ сти некоторых металлов (вольфрам и др.), находящихся в раскаленном состоянии при температурах порядка 3000° С. Поверхность полоски раскаленного вольфрама в направлении, почти параллельном этой поверхности, ис­ пускает свет, почти полностью линейно поляризованный (степень поляризации 90—95%, направление преимуще­ ственных колебаний приблизительно перпендикулярно по­ верхности). Свет, излучаемый раскаленной вольфрамовой проволокой, частично поляризован (Р в среднем около

43