Статья на тему: "Введение в оптику анизотропных сред"

Форысь Юрий Юрьевич,

учитель физики

Муниципального бюджетного общеобразовательного

учреждения «Средняя общеобразовательная

школа №14» муниципального образования

городской округ Симферополь Республики Крым

Введение в оптику анизотропных сред

Большой интерес в оптике вызывают исследования, связанные с распространением и преобразованием структуры световых пучков в оптических кристалла (современная оптика имеет дело не только со световыми пучками в оптических системах, но и исследует поведение электромагнитных волн в различных средах, а именно оптически прозрачных кристаллах. Особый интерес представляют такие  кристаллы, в которых существует неоднородное распределение показателя преломления вдоль различных направлений.)

      Одноосные кристаллы  — кристаллы, для которых характерно двойное лучепреломление света при всех направлениях падающего луча, кроме одного направления, называемого оптической осью кристалла.

    Двойное лучепреломление – расщепление пучка света в анизотропной среде (например, в кристалле) на два слагающих, распространяющихся с разными скоростями и поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Анизотропия (от греч. anisos — неравный и tropos — направление), зависимость свойств вещества от направления. Анизотропия характерна, например, для механических, оптических, магнитных, электрических и др. свойств кристаллов, т. к. обусловлена закономерностью и симметрией  их внутреннего строения. Все кристаллы в отношении хотя бы некоторых своих свойств обязательно анизотропны. Анизотропия является следствием того, что в структуре кристалла в разных направлениях различны расстояния и силы связи между атомами и проявляется тем сильнее, чем ниже симметрия кристаллов.

Не все свойства в кристаллах анизотропны. Некоторые свойства, такие как, например, плотность и удельная теплоемкость, изотропны и не зависят от направления. Изотропные свойства описываются скалярными величинами. В то же время, многие свойства, например, теплопроводность, диэлектрическая восприимчивость, магнитная восприимчивость, показатель преломления света и др., существенно зависят от направления, по отношению к которому они определены, и описываются тензорными величинами. Если имеется зависимость свойств от направления, то для их описания, которое в общем случае зависит от ориентации системы координат, используют кристаллофизическую систему координат. Наглядное описание анизотропии некоторых свойств дает построение, величина радиус-вектора которых соответствует значению измеряемого свойства в данном направлении.

Естественная анизотропия — наиболее характерная особенность кристаллов. Она проявляется в различии скоростей роста кристаллов в разных направлениях. Именно поэтому кристаллы вырастают в виде правильных многогранников: шестиугольные призмы кварца, кубики каменной соли, восьмиугольные кристаллы алмаза, разнообразные, но всегда шестиугольные звёздочки снежинок. В случае изотропности скорости роста, кристалл вырастал бы в форме шара.

Механическая анизотропия состоит в различии механических свойств — прочности, твердости, вязкости, упругости — в разных направлениях. Количественно упругую анизотропию оценивают по максимальному различию модулей упругости. Проявлением анизотропии механических свойств являются особенности пластической деформации кристаллов. Кристалл деформируется не по направлению действующей силы, а только в некоторых кристаллографических плоскостях по определенным кристаллографическим направлениям, зависящим от структуры кристалла. Как правило, плоскостями и направлениями скольжения служат плоскости и направления плотнейшей упаковки.

При распространении света в прозрачных кристаллах (кроме кристаллов с кубической решеткой) свет испытывает двойное лучепреломление и поляризуется различно в разных направлениях. Скорость распространения света в кристалле или показатель преломления кристалла различны в различных направлениях. Искусственная оптическая анизотропия возникает в кристаллах и в изотропных средах в результате внешнего воздействия.

Поликристаллы, состоящие из множества кристаллических зерен (кристаллитов), ориентированных произвольно, в целом изотропны или почти изотропны. В результате внешних воздействий (механической обработки или отжига) может быть искусственно вызвана анизотропия свойств поликристаллического материала, которая проявляется в том случае, когда в результате обработки в нём создается преимущественная ориентация отдельных кристаллитов в каком-либо направлении (текстура). Магнитная анизотропия проявляется в поликристаллах, при наличии в них текстуры магнитной или текстуры кристаллографической.

Анизотропия присуща жидким кристаллам, природным и синтетическим полимерным веществам. Анизотропия этих веществ, как и кристаллов, в основном определяется их атомным строением и не обязательно требует различия всех свойств во всех направлениях. Наоборот, допустимо закономерное равенство величины какого-либо свойства для некоторых разных направлений.

Анизотропия наблюдается также и в определенных некристаллических веществах, у которых существует естественная или искусственная текстура (древесина и т. п.).