5 марта 2017 г.

ИЗЛУЧЕНИЕ И ВЕЩЕСТВО. Указатель физических эффектов и явлений Ю.В.Горина.

X. ИЗЛУЧЕНИЕ И ВЕЩЕСТВО

В этом разделе описываются явления, так или иначе связанные с взаимодействием света и вещества: изменение свойств вещества под воздействием света и влияние вещества на электромагнитные волны при тех или иных внешних воздействиях.

X-1. ФОТОЭФФЕКТ

Явление внешнего фотоэффекта состоит в испускании /эмиссии/ электронов с поверхности тела под действием света; экспериментально установленные зависимости фотоэффекта объясняются квантовой теорией света. Свет – есть поток квантов; кванты света, попадая в вещество, поглощаются им; избыточная энергия передается электронам, которые получают возможность покинуть это вещество - конечно, если энергия кванта больше, чем работа выхода электрона /см. «Электронная эмиссия»/. Заметим, что квантовый характер света, проявляющийся в явлении фотоэффекта, не следует понимать как отрицание волновых свойств света, свет есть и поток квантов, и электромагнитная волна - просто в зависимости от конкретного явления проявляются или квантовые, или волновые свойства.
На основе внешнего фотоэффекта создан ряд фотоэлектронных приборов /фотоэлементы различного назначения, фотокатоды в фотоумножителях и т. д./ См. Лукьянов С.В. «Фотоэлементы», М-Л. 1968г. Толанский С. «Революция в оптике», Мир, М., 1971г. Внешний фотоэффект наблюдается на металлах, диэлектриках, полупроводниках. См. Соколов АВ. «Оптические свойства металлов», М., 1961г. Арсеньева-Гейль А.Н. «Внешний фотоэффект с полупроводников и диэлектриков», М., 1957г.
Внешний фотоэффект играет большую роль в развитии электрических разрядов; фотоэффект в газах определяет распространение электрического разряда в газах при больших давлениях, обуславливая высокую скорость распространения стримерной формы разряда /искры, молнии/. Кроме внешнего фотоэффекта, существует внутренний фотоэффект. Квант света, проникая внутрь вещества, выбивает электрон, переводя его из связанного состояния /в атоме / в свободное - таким образом, при облучении полупроводников и диэлектриков из-за фотоэффекта внутри кристаллов появляются свободные носители тока, что существенно изменяет электропроводность вещества. На основе внутреннего фотоэффекта созданы различного рода фоторезисторы-элементы, сильно изменяющие свое сопротивление под действием света. См. Бьюб Р. «Фотопроводимость твердых тел», М., 1962г., Рывкин С.М. «Фотоэлектрические явления в полупроводниках», М., 1963г. Разновидностью внутреннего является вентильный фотоэффект - появление э.д.с. в месте контакта двух полупроводников /или полупроводника и металла/. Основное применение вентильных фотоэлементов - индикация электромагнитного излучения.
На основе вентильного фотоэффекта работают также солнечные батареи. Один из приборов, работающих на вентильном фотоэффекте, является фотодиод, обладающий многими преимуществами по сравнению с обычными фотоэлементами. См. Васильев А.М., Ландсман А.П. «Полупроводниковые фотопреобразователи», Сов. Радио, М. 1971г.
А.с. 280065: Устройство для определения стойкости к истиранию нетканых материалов, содержащее истирающую головку и головку для укрепления образца, осветитель и фотоэлемент, соединенный измерительной системой, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения внутри корпуса истирающей головки установлен фотоэлемент, воспринимающий луч света, отраженный от пленки, расположенной под образцом и покрытой амальгамой.
Патент СССР 252225: Устройство для определения кривизны плоских ленточных материалов, содержащее корпус; ролик, контактирующий с протягиваемым ленточным материалом и установленный в корпусе на оси, перпендикулярной направлению протяжки материала, а также индикатор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, корпус установлен на оси, параллельной направлению протяжки материала и снабжен щелевой диафрагмой, а индикатор выполнен в виде фотоэлемента, на который поступает световой поток через щелевую диафрагму.
А.с. 236808: Оптический пирометр, содержащий чувствительный элемент, например фотодиод, включенный, в плечо измерительного моста и вторичный прибор, отличающийся тем, что, с целью исключения погрешности измерения от нестабильности источнике питания, в нем в качестве источника питания измерительного моста использован фотоэлемент, например фотодиод, освещаемый измеряемым источником лучистой энергии одновременно с чувствительным элементом.
Согласно а.с. № 216960 фотоэлемент применяется для измерения отраженного излучения; величина отраженного излучения непосредственно связана с шероховатостью поверхности.

X-2. ФОТОПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ.

При одностороннем сжатии и освещении полупроводника на гранях кристалла, перпендикулярно направлению сжатия, возникает э.д.с., знак которой зависит от направления сжатия и от направления освещения полупроводникового кристалла. Величина э.д.с. пропорциональна давлению и интенсивности света. Фотопьезоэлектрический эффект возникает из-за того, что коэффициент диффузии носителей тока, освобожденных под воздействием света, при сжатии - кристалла становится неодинаковым по отношению к различным направлениям.

Х-3. ЭФФЕКТ КИКОНА-НОСКОВА

Суть эффекта состоит в возникновение электрического поля в полупроводнике при помещении его в магнитное поле и одновременном освещении светом, в составе которого имеются спектральные линии, сильно поглощаемые исследуемым полупроводником. Освещение сильнопоглощаемым светом создает в кристалле резконеоднородное распределение носителей /на освещаемой стороне - много больше/; диффузионный ток носителей под действием магнитного поля приводит к возникновение э.д.с. в направлении, перпендикулярном магнитному полю и направлению освещения.
Х-4. ЭФФЕКТ ДЕМБЕРА И ФОТОПЛАСТЧЕКИЙ ЭФФЕКТ

В несобственных полупроводниках носителями тока являются электроны и дырки; известно, что коэффициент диффузии для электронов и дырок различны. Таким образом, если в каком-то месте полупроводника фотоактивное освещение создает одинаковое число отрицательных электронов и положительных дырок, то диффузия этих носителей будет происходить с разной скоростью, в результате чего в кристалле возникает Э.Д.С. /См. сборники «Полупроводники в науке и технике», Г.2, 1958г. Стр.115/. Эффект открыт Дембером в 1931г. Кроме очевидных эффектов подобного рода, возможно существование и ряда очень тонких явлений, обусловленных действием света. Например, открытие №93 /Осипьян Ю., Савченко И.,1967г/: «Установлено ранее неизвестное явление, заключающееся в изменении сопротивления пластической деформации кристаллов полупроводников под действием света, причем максимальное изменение сопротивления происходит при длинах волн, соответствующих краю собственного поглощения кристаллов /фотопластический эффект/. «Величина изменения сопротивления у некоторых кристаллов весьма велика /до 100%/; практическое применение - изучение процессов взаимодействия электронов с дислокациями регистрации световых потоков в статическом и динамическом режимах Ю.Осипьян, И.Савченко «Письма ЖЭТФ», 1968г., вып. 7, № 4,стр.130.

X-5. ФОТОХРОМНЫЙ ЭФФЕКТ

Действие света (видимого или ультpaфиолетового) изменяет окраску некоторых веществ. В отличие от обычного выцветания этот эффект обратим - фотохромное вещество приобретает с течением времени первоначальную окраску в темноте, под действием света другой частоты или при нагревании. Наведенную окраску можно сохранять очень долго, если охладить вещество или обработать некоторыми газами.
Скорость окрашивания и интенсивность окраски зависят не только от структуры молекул самого фотохромного вещества, но и среды, в которой оно находиться /стекло, керамика, пластмасса, ткани и т.д./.
Многие, фотохромные вещества при облучении быстро темнеют /защита глаз - светофильтр сам меняет плотность, когда надо, т.е. когда появляется яркий свет/. Фотохромные вещества применяются при маркировке товаров, боящихся длительного хранения. /Вещество меняет цвет-сигнал окончания срока/.
Примеры: Патент США 355824: Световой затвор содержит фотохромное тело, показатель преломления которого может изменяться при облучении световым потоком определенной длины волны для данного фотохромного материала. Фотохромное тело совместно с модулятором света образует изображение при изменении показателя преломления. Например, фотохромное тело может вводиться в полость эталона Фабри-Перо или в призму Волластона.
Патент США 3558802: В устройстве, предназначенном для работы с пленкой, покрытой фотохромным материалом, содержащим сахарин, имеется центральная камера, в которой находится электроннолучевая трубка. На нормально прозрачной пленке образуется непрозрачные участки обратимого изображения, соответствующего изображению на экране электроннолучевой трубки. При обработке пленки двуокисью серы, находящейся в газообразном состоянии, проэкспонированные участки фотохромного материала остаются непрозрачными.
Авторское свидетельство № 267967: Устройство для представления информации в трехмерной форме, отличающееся тем, что, с целью улучшения стереоскопического восприятия трехмерных изображений и упрощении устройства, оно содержит три параллельных ряда плоских панелей, на противоположных концах которых нанесены изготовленные из фотохромного материала активные зоны, одна из которых служит для просмотра изображения другая - для обработки информации, причем все панели установлены на разной высоте на трех осях вращения, сдвинутых относительно друг друга на 120°.

X-6. ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ

Под этим понятием в физике обычно понимают процесс излучения веществами энергии в виде света; эту энергию они предварительно должны получить извне.
По характеру излучения люминесценция подразделяется на флуоресценцию /испускание света при возбуждении атомов или молекул/ и на фосфоресценцию /послесвечение/.
По характеру возбуждения люминесценция подразделяется на несколько видов; важнейшие из них:
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ. Обычно вызывается действием видимого или ультрафиолетового излучения. Ввиду того, что между возбуждением молекулы и ее люминесцентным высвечиванием проходит конечное время, возможно провести процесс тушения люминесценции.
КАОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ. Свечение под действием электронного луча; несмотря на широкое применение, точный механизм генерирования свечения пока неизвестен.
ИОНОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ - свечение под действием ударов ионов. Для ионолюминесценции характерны процессы на поверхности; тяжелые ионы внутрь вещества не проникают. Почти все люминофоры под действием ионной бомбардировки быстро стареют.
ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ - свечение под действием электрического поля. Свечение большинства электролюминофоров лежит в голубой или зеленой части спектра, использование селенита цинка дает люминофоры с жёлтым, золотистыми или белым свечением. Интенсивность свечения зависит от частоты поля.
ТРИБОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ – свечение, возникающее при трении или ударе двух тел /например, сахар при раскалывания иногда светится/. Теория, как и всех прочих трибоэффектов, точно не разработана.
ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНИЯ - свечение, на возбуждение которого расходуется часть энергии, выделяющейся при химических реакциях. Имеет некоторое отношение к биолюминесценции, которая в настоящее время замечена у 50 видов животных и двух растений.
КАНДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ - свечение некоторых веществ в пламени. Обусловлено, как правило, образованием возбужденных молекул при соединении атомов и радикалов /или ионов и радикалов/ и последующем переходе молекулы в нормальное состояние с излучением кванта света. Кандолюминесценцию не следует отождествлять со свечением тел, нагретых пламенем.
РАДИОТЕРМОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ – свечение, возникающее при нагревании тел и резко усиливавшееся в случае предварительного облучения этих тел электронами или гамма-квантами.
Явление люминесценции применяется в настоящее время, в различных системах индикации. Например, методы люминесцентной дефектоскопии основаны на обнаружении дефектов при наблюдении люминесценции нанесенной на поверхность флуоресцирующей жидкости; люминесценция вызывается, как правило, облучением ультрафиолетовыми лучами /см. Карякин А.В. «Люминесцентная дефектоскопия», М. 1959 г./ Методами химического люминесцентного анализа возможно определять содержание и свойства химических компонент смеси. Для усиления эффекта и в дефектоскопии, и в химическом анализе применяют адсорбирующие добавки, используя явление избирательной адсорбции. См. Сборник статей «Люминесцентный анализ», M., l96lг.
В люминесцентных приборах применяются люминофоры, в качестве которых выступают обычно кристаллофосфоры или некоторые органические вещества.
По способу возбуждения люминесценции люминофоры делятся на электролюминофоры /электрическое поле/, фотолюминофоры /свет/, радиолюминофоры /ядерные излучения/, катодолюминофоры /электронный луч/ и т.д. Часто бывает, что одно и то же вещество способно люминесцировать при действии самых различных факторов.
Несмотря на то, что явление люминесценции известно давно, исследование его продолжается и в плане чисто технических поисков /новые люминофоры/, так и при разработке новых методов издания строения вещества. Изучение радиотермолюминесценции органических материалов позволило создать новые методы изучения деформационных свойств полимеров, анализа химических смесей, изучения структурных изменений полимеров. В ИФХ АН СССР установлено, например, очень интересное и перспективное явление усиления радиотермолюминисценции при фазовых переходах в органических материалах.
А.с. 188129: Флуоресцентный способ определения молекулярного веса полимеров, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения анализа, молекулярный вес определяют по изменению интегральной интенсивности одной из полос спектра собственной люминесценции полимера.
А.с. 275497: Способ изучения структурных превращений полимерных материалов по интенсивности и характеру люминесценции, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения точности, оценивают интенсивность и характер механолюминесценции, возбуждаемой при механических деформациях и разрушении полимерных материалов.
Хемилюминесценция использована фирмой «Ретингтон Армо» для создания искусственного источника света, действующего без генераторов, батарей и проводов. Свечение возникает под воздействием кислорода и регулируется скоростью, с какой он вступает в реакцию с активными химическими веществами. Яркость ламп зависит от температуры и влажности воздуха и от формы светящегося элемента /США/.
А.с. 232500: Способ получения стеклопластика путем термической обработки исходных компонентов, осуществляемой в печи, отличающийся тем, что, с целью обеспечения автоматического контроля и регулирования готовности стеклопластиков, измеряют интенсивность хемилюминесценции стеклопластика в процессе его термической обработки, по величине которой судят о готовности стеклопластика.
Патент США 3566114: Описаны способ и устройство для обнаружения бактерий в атмосфере и определения их типа. Атмосферу освещают лучом ультрафиолетового света. Неживое вещество будет отражать свет, живые же организмы, например, бактерии, будут возбуждаться и люминесцировать. Предусмотрено устройство, расположенное рядом с источником света и предназначенное для того, чтобы воспринимать и дифференцировать отраженный и люминесцентный свет. Бактерии разных классов будут давать свечение с характерной для каждого класса длинной волны, по которой их можно определить.
А.с. 340966: Способ определения остаточной влажности в сухих и лиофилизированных биологических продуктах, отличающийся тем, что, с целью количественного определения остаточной влажности, ускорения анализа и оставления пробы интактной, пробу облучают видимым или ультрафиолетовый светом и измеряют интенсивность фосфоресценции в фосфороскопе.
Патент США 3261978: Американским изобретателем Г.Бренманом изобретена светящаяся зубная паста. Это обычная зубная паста, в которую добавлено немного безвредна веществ, флюорицина или эритрозина, которые начинают светиться, если облучить пасту ультрафиолетовыми лучами с длиной волны 3650 А°. Источником таких лучей может служить зубная щетка. В её ручке помещается маленькая батарейка и крохотная электрическая лампочка, закрытая светофильтром, пропускающим свет нужного спектрального состава. Почистив зубы, вы включаете лампочку и смотритесь в зеркало. Остатки пищи видны сразу: они пропитались зубной пастой и светятся.
Патент США 3561271: Ртутный термометр для облегчения считывания значений температур имеет внутренний канал с головкой, покрытой флуоресцирующим материалом. Когда канал не заполнен, плохо различим, а при заполнении ртутью канал становится ярким или блестящим. Деления на шкале и цифры могут также содержать яркие элементы да облегчения наблюдения за уровнем ртути.
А.с. 181823: Способ бесконтактного измерения длины проката и скорости его движения в потоки при помощи устройства для нанесения физической метки и фотодатчика для регистрации метки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения длины и скорости проката и четкости нанесения физической метки искровым способом, применяют образующий лучистую энергию люминофор или иное легкоиспаряющееся вещество, регистрирующее физические метки, и светочувствительный элемент, улавливающий свечение метки.
А.с. 187080: Электролюминесцентный знаковый индикатор с изменяющимся цветом свечения отличающийся тем, что, с целью управления цветом свечения воспроизводимых знаков, в качестве одного электрода применен растровый экран, образованный чередующимися полосками люминофоров, имеющих различный цвет свечения и образующих две системы электродов гребенчатой формы, а в качестве второго электрода использованы фигурные проводящие пластинки, образующие различные комбинации цифр и знаков.
А.с. 256332: Люминесцентный способ определения титана, основанный на изменении интенсивности люминесценции органических веществ, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и избирательности определения, титан экстрагируют хлороформом в виде тройного комплексного соединения в присутствии перекиси водорода и оксихинолином в присутствии избытка перекиси водорода, экстракт промывают разбавленной серной кислотой и перемешивают с водным раствором тетрафенилбората натрия в присутствии разбавленной серной кислоты с последующим измерением интенсивности люминесценции полученного оксихинолината дифенилборила.

А.с. № 256332 представляет собой очень изящное решение: титан не люминесцирует, поэтому его объединяют с веществом, обладающим люминесценций, которую и измеряют /при первом и втором чтении этого а.с. не следует стремиться к пониманию всех входящих в него терминов Ю.Г./.
Патент США 3562525: В приборе, использующем флюоресценцию под действием рентгеновского излучения, пучок рентгеновского излучения разделяется на две части для одновременного облучения покрытия и подложки и эталонного образца. Каждый из этих облучаемых объектов генерирует характеристическое флюоресцентное излучение под действием рентгеновского излучения одного из пучков.
Прибор имеет пару детекторов, регистрирующих характеристическое флюоресцентное излучение.
А.с. 274486: Анализатop кислорода, содержащий чувствительный элемент и регистрирующее устройство, отличающийся тем, что, с целью расширения области рабочих давлений исследуемого газа, чувствительный элемент выполнен в виде электролюминесцентной ячейки с люминофором из окиси тантала, а в качестве регистрирующего устройства использован фотоэлектронный умножитель.
А.с. 186366: Способ контроля отслоения и обрушения кровли камер, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения безопасности работ, в предварительно пробуренные в кровле камер скважины закладывают нанесенные на наполнители люминесцирующие вещества с последующим освещением обрушившихся пород источниками света, и по наличию люминесцирующих веществ в обрушенной породе судят о состоянии кровли.
Ниже приводимые авторские свидетельства №277805 и №331271 - пример применений одного и то же решения к разным задачам; правда, решение по a.c. 331271 более изящно - сварочная дуга сама является возбудителем люминесценции.
А.с. 277805:Способ обнаружения неплотностей в холодильных агрегатах, заполняемых фреоном и маслом преимущественно домашних холодильников отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения мест утечек, в агрегат вместе с маслом вводят люминофор, освещают агрегат в затемненном помещении ультрафиолетовыми лучами и определяют места утечек по свечению люминофора в просачивающемся через неплотности масле.
А. с. 331271: Способ контроля герметичности сварных изделий е помощью люминофора, при котором изделие направляют ультрафиолетовый лучи и судят о герметичности по свечению люминофора, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности путем осуществления контроля непосредственно в процессе сварки, люминофорную суспензию наносят на внутреннюю поверхность свариваемых деталей перед сваркой, а в качества источника ультрафиолетовых лучей используют сварочную дугу.
А.c. 330378: Способ определения глубины разрушения материала агрессивным реагентом путем нанесения на плоскость поперечного среза образца вещества-индикатора, отличающиеся тем, что, с целью повышения точности определения и выяснения плотности разрушенного слоя материала по глубине, на срез образца наносят вещество-индикатор- жидкий люминофор, облучают исследуемую поверхность излучением, вызывающим свечение люминофора, и вымеряют толщину светящейся зоны по краю среза.
Патент США 3557015: Патентуются жидкие индикаторные составы, например смачивающие реагенты, кроющие составы или составы для маркировки, в которых одновременно используют флуоресцирующий и нефлуоресцирующий индикаторные красители. Красители образуют два разных слоя неодинаковой чувствительности, так, что резкая толщина этих слоев позволяет четко различить разницу между флуоресцирующим и нефлуоресцирующим цветом. Составы особенно удобно использовать в «смачивателях двойной чувствительности», например, когда относительно большие поверхностные трещины становятся видимыми благодаря окрашиванию нефлуоресцирующими цветными индикаторами, а микротрещины - флуоресцирующими индикаторами.
А.с. Способ непрерывного контроля износа деталей машин в масле в процессе их эксплуатации заключающийся в том, что активируют деталь или ее часть и измеряют интенсивность счета радиоактивных продуктов износа в масле, отличающийся тем, что, с целью определения суммарного износа деталей узла трения, в масло вводят люминесцирующие добавки, измеряют свечение масла, и по результатам измерений судят о величине износа деталей. (БИ-72, 2, 167)
A.с. 179672: Способ определения степени шаржирования поверхностей изделия абразивными частицами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля маркирования поверхности изделия, контролируемую поверхность обрабатывают абразивным инструментом, содержащим в своем составе люминесцентные зерна, затем поверхность изделия очищают от загрязнений посредства ультразвуковых колебаний, после чего контролируемую поверхность изделия освещают ультрафиолетовыми лучами и рассматривают в микроскоп, определяя степень шаржирования по наибольшим видимым размерам и по количеству обнаруженных люминесцентных частиц абразива, приходящихся на единицу поверхности контролируемого изделия.
А.с. 280979: Способ определения устойчивости пластмассы к действию биологически активных сред путем нанесения суспензии спор плесневых грибов на поверхность пластмассы, выдержки ее при оптимальных условиях развития грибов и последующего измерения величины изменения свойств пластмассы, отличающиеся тем, что, с целью повышения точности и ускорения анализа, величину изменения определяют по изменению интенсивности и спектра люминесценции.
А.с. 232548: 1.Устройство для измерения интенсивности излучения отличающееся тем, что, с целью повышения стабильности измерения, оно выполнено в виде треугольной призмы из материала, максимум спектрального поглощения которого приходится на исследуемое излучение, причем одна грань призмы покрыта люминесцентным составом, возбуждаемым исследуемым излучением, а другая грань - светоотражающим составом.
2. Устройство по п.1. отличающееся тем, что, с целью визуального определения интенсивности излучения по положению границы между светлой и тёмной областями свечения люминофора, грань призмы покрытая люминесцентным составом, снабжена шкалой.
А.с. 288482: Способ абсорбционного анализа газов, паров и жидкостей путем поочерёдного пропускания потока излучения двух различных интервалов длин волн, рабочего и сравнительного, сквозь слой анализируемого вещества и регистрации разности интенсивностей этих потоков отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и избирательности анализа, поток излучения источника ограничивают только рабочим или только сравнительным интервалом длин волн и периодически с помощью люминофора преобразуют в поток излучения соответственно сравнительного или рабочего диапазона, причем преобразование потока источника в первый полупериод осуществляют до его прохождения через анализируемую смесь, а во второй полупериод - после его прохождения.

X-6а. ЭФФЕКТ ГУДДЕНА-ПОЛЯ

Появление или усиление люминесценции при воздействии на возбуждаемый люминофор какого-либо источника энергии называется стимуляцией люминесценции. Стимуляция электрическим полем называется эффектом Гуддена-Поля. См. Ребанс П. «Люминесценция», Издание Тартуского университета, 1968г.
А.с. 286160: Способ получения изображения, состоящий в том, что люминесцентный экран равномерно облучают ультрафиолетовым светом, проектируют на экран изображение в инфракрасном свете, фиксируют свечение экрана на фоточувствительном слое, отличающийся тем, что, с целью расширения области чувствительности одновременно с облучением… прикладывают к экрану электрическое поле и после проектирования изображения подают переменное напряжение на экран, причем люминофор, из которого изготовлен экран, должен обладать эффектом Гуддена-Поля.

X-7. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА

Свет, в котором направление колебания электрического/или магнитного/ вектора каким-то образом упорядочены, называется поляризованным, в отличие от естественного, в котором все направления колебаний равновероятны. Поляризации света происходит при его взаимодействии с веществом. Для получения полностью или частично поляризованного света применяют поляризационные приборы /поляризационных призм или поляроидов/. Поляризованный свет получается также при отражении; наибольшая степень поляризации имеет место при отражении под углом Брюстера /тангенс угла равен коэффициенту преломления отражающей среды/.
Индуцированное излучение имеет всегда то же состояние поляризации, что и стимулирующее, поэтому с помощью лазеров можно излучать свет очень высокой степени поляризации. Поляризованный свет применяется при изучении структуры вещества и его поверхности, при изучении поляризации молекул веществ. Явление вращения плоскости поляризации составляет основу методов сахариметрии - определения концентрации растворов.
Известно, что скрещенные поляроиды не пропускают света - в светотехнике поляроиды применяются для плавного изменения интенсивности света, для световой блокировки и т.д.
Поляризация света, как анизотропное свойство, позволяет исследовать все вида анизотропии вещества; так, например, в машиностроении разработан так называемый поляризационно-оптический метод исследования напряжений, См. Шеркпифф У. «Поляризованный свет», Мир, 1965г.: Васильев Б.И., Оптика поляризационных приборов, М, 1969г.
Примеры: А.с. 262444: Конденсационный гигрометр, содержащий источник света, конденсационное зеркало и приемник отраженного света, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, он снабжен двумя поляроидоми, расположенными на пути следования падающего и отраженного лучей света, плоскости которых взаимно перпендикулярны.
А.с. 269588: Способ определения стойкости стекла в спаях с металлом к электролизу, состоящий в том, что через термостатированный образец пропускают электрический ток, причем напряжение источника остается постоянным, и измеряют величину тока, проходящего через образец, отличающийся тем, что, с целью повышения точности наблюдений, о ходе процесса электролиза судят по изменению картины механических напряжений в местах спая с металлом, наблюдаемой в лучах поляризованного света.
А.с. 243889: Способ дистанционного измерения температуры, основанный на изменении цвета измеряемого объекта в зависимости от температуры, отличающийся тем, что, с целью непрерывного измерения температуры в широком диапазоне и повышения точности, освещают фазовую пластинку, установленную на измеряемом объекте, поляризованным светом, и по изменению цвета анализатора, расположенного после пластинки, судят об измеряемой температуре.
Патент США 3560094: Оптический кодировщик положение вала использует луч поляризованного света, модулированный в соответствии с заданной частотой сигналом модуляции. Модулированный поляризованный свет проходит через анализатор, установленный на конце вала, угловое положение которого требуется определить. Свет, выходящий из анализатора, падает на детектор, который вырабатывает выходной электрический сигнал, сравниваемый с сигналом модуляции.
Фазовый сдвиг между сигналом модуляции и детектируемым сигналом пропорционален углу поворота вала.
А.с. 221345: Способ контроля кристаллизации кондитерских масс, например ирисной, в процессе производства путем микроскопирования исследуемого образца отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля, микроскопирование осуществляют в проходящем поляризованном световом луче и изменением при этом интенсивности светового потока с последующим определением содержание кристаллов.
А.с. 249025: Способ оценки распределения контактных напряжений по величине деформации пластичной прокладки, располагаемой в зоне контакта между соприкасающимися поверхностями отличающимся тем, что, с целью повышения точности, в качестве пластичной прокладки используют пленку из оптически чувствительного материала, которую затем просвечивают поляризованным светом в направлении действия контактных сил, и по картине полос судят о распределении контактных напряжений.
А.с. 249683: Способ определения величины поправки показаний пирометров излучения при изменяющейся лучеиспускательной способности по измерению составляющих излучения в поляризованном свете, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, из потока, воспринимаемого пирометром, установленным под некоторым углом к поверхности излучения, выделяют параллельную и перпендикулярную составляющие поляризованного излучения одного и того же спектрального состава и по их отношению судят о величине поправки.

X-8. ФОТОУПРУГОСТЬ

Фотоупругостью называется возникновение оптической анизотропии и связанного с ней явления двойного лучепреломления в первоначально изотропных твердых телах под действием механических нагрузок. При двойном лучепреломлении падающий луч разделяется в веществе на два поляризованных луча. Для измерения величины двойного лучепреломления при деформации применяют интерференцию поляризованных лучей; по интерференционной картине судят о величине напряжения или же об изменениях в веществе. Фотоупругий эффект один из самых тонких методов изучения структуры и внутренних напряжений в твердых телах.
См. Фрахт М. «Фотоупругость», М, т.1-2, 1948-1950г.
Примеры: А.с. 249025: Способ оценки распределения контактных напряжений по величине деформации пластичной прокладки, располагаемой в зоне контакта между соприкасающимися поверхностями, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в качестве пластичной прокладки используют пленку из оптически чувствительного материала, которую затем просвечивают поляризованным светом в направлении действия контактных сил и по картине полос судят о распределении контактных напряжений.
А. с. 226811: Оптический датчик давления жидкости, содержащий мембрану, закрепленную между корпусом и штуцером, и фотоупругий преобразователь, отличающийся тем, что, с целью сохранения точности при статических и пульсирующих нагрузках, упрощения конструкции и отсчета показаний, в нем фотоупругий преобразователь выполнен в виде предварительно поджатого стержня с интерференционными полосами, расположенного в корпусе между парой вкладышей, торец одного из которых в мембрану.

X-9. ЭФФЕКТ КЕРРА

Если изотропную жидкость поместить в однородное электрическое поле, то эта жидкость приобретает свойства одноосного кристалла, т.е. в ней возникает анизотропия, приводящая к возникновению двойного лучепреломления /электрооптический эффект Керра/. Как известно, явление двойного лучепреломления вызывает разделение луча. При эффекте Керра плоскость поляризации этих лучей параллельна и перпендикулярна электрическому полю. Помещая ячейку Керра между двумя скрещенными поляризаторами, получаем возможность модулировать световой поток с помощью электрического поля; подобный модулятор обладает очень высоким быстродействием /10-10 сек/. Обычно в ячейках Керра применяют жидкости типа нитробензола, анизотропия которых в электрическом поле велика. Величина эффекта Керра в прочих жидкостях и газах велика.
Эффект Керра наблюдается также и в кристаллах, в частности, в некоторых сегнетоэлектриках, где анизотропия оптических свойств резко усиливается при наложении электрического поля. Несмотря на недостаточную разработку теории эффекта Керра, он находит широкое применение. См. Волькенштейн М.В. «Молекулярная оптика», 1951г. и Н.Д.Жевандров «Поляризация света», 1969г.
Примеры: Патент США 3586415: В устройстве для модуляции и считывания без искажений информации применяется модуляция света, пропускаемого через неоднородный ферроэлектрический кристалл до и после вращения плоскости колебаний, вызываемых налагаемым электрическим полем, которое равно или больше коэрцитивного поля.
А.с. 178905: Применение ячейки Керра в качестве датчика времени, питаемого стабилизированным высокочастотным напряжением, при сверхскоростной фоторегистрации быстропротекающих процессов.
А.с. 243872: Компенсационный оптический уровень, содержащий источник и приёмник излучения, чувствительный элемент и электронную регистрирующую схему, отличающиеся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности, чувствительный элемент составлен из двух полых световодов, коаксиально расположенных один в другом, пространство между которыми заполнено измеряемой жидкостью, а на выходе из световода установлена ячейка Керра, выполненная из двух коаксиально расположенных цилиндрических и одного центрального электродов.
Патент США 3558215: Устройство для преобразования светового луча с произвольной плоскостью поляризации в луч света с медленно вращающейся плоскостью поляризации содержит не менее трех последовательно расположенных оптических элементов. В качестве этих элементов используют либо магнито- или электрооптические элементы. Хотя бы на один элемент накладывают электромагнитное поле. Если поле накладывают более, чем на один элемент, то поля для соседних элементов сдвинуты на фазе на 90.
А.с. 266819: Устройство для записи факсимильного изображения на светочувствительную поверхность пластины при изготовлении клише, содержащее приемник сигналов, оптический квантовый генератор, электрический модулятор и систему развертки по кадру, отличающееся тем, что, с целью упрощения развертки изображения по строке, между упомянутым электрооптическим модулятором и светочувствительной пластиной установлен поляризационный электрооптический дефлектор, состоящий из электрооптических переключателей и двулучепреломляющих кристаллов и управляемый коммутатором, например двоичным счетчиком.
А.с. 235250: 1.Оптическая система с управляемым фокусным расстоянием, отличающаяся тем, что, с целью безынерционного изменения фокусного расстояния, она выполнена в виде цилиндрического рабочего тела ив из вещества, обладающего электрооптическим эффектом, помещенного внутрь, например, шестипольного конденсатора, электрическое поле которого создает такое распределение показателя преломления в веществе рабочего тела, что падающий на него торец параллельный пучок света собирается в фокусе, положение которого на оси системы зависит от приложенного к конденсатору напряжения.
2.Система по п.1, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения хроматизма, линза выполнена в виде комбинации двух и более электрооптических сред.

X-10. ЭФФЕКТ МАКСВЕЛЛА.

Эффект Максвелла (двойное лучепреломление в потоке жидкости) возникает в результате ориентации молекул жидкости или растворенного вещества в текущей жидкости под действием гидродинамических сил. Эффект Максвелла возможен, когда молекулы текущей жидкости или растворенного вещества обладают несферической формой и анизотропной поляризуемостью. В покоящейся жидкости анизотропные частицы ориентировании беспорядочно и жидкость в целом оптически изотропна. В текущей жидкости происходит ориентация несферических частиц. Полной ориентации броуновское движение; поэтому возникает преимущественная ориентация, направление которой составляет угол с направлением потока, зависящий от градиента скорости по сечению потока и от формы частицы. Текущая жидкость, содержащая ориентированные оптически анизотропные частицы, подобна двояко преломляющему кристаллу и обладаем сходными оптическими свойствами. Значение угла легко определяется оптически, т.к. направление преимущественной ориентации совпадает с плоскостью поляризации. Из данных зависимости угла ориентации от градиента скорости рассчитывают геометрические размеры растворенных макромолекул или коллоидных частиц, в том числе и тех, размеры которых лежат за пределами разрешения электронных микроскопов. Наиболее подробно исследован эффект Максвелла в коллоидных растворах и растворах полимеров. Крупные коллоидные частицы или макромолекулы полимеров ориентируются в потоке значительно легче, чем молекулы жидкости. Эффект Максвелла может наблюдаться и у оптически изотропных молекул, если их коэффициент преломления не равен коэффициенту преломления растворителя. С помощью эффекта Максвелла исследовались многие биологические объекты. Были определены размеры ряда вирусов, размеры формы многих белковых молекул и т.п.
Литература.
Физические методы в органической химии, под ред. А.Вайсбергера пер. с англ. Т.5, М., 1957г.

X-11. МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

К магнитооптическим явлениям относится группа явлений связанных со свойствами электромагнитного излучения в телах, помещенных в магнитное поле.
Прежде всего это эффект Фарадея; при распространении в веществе линейно поляризованного света вдоль силовых линий магнитного поля наблюдается поворот плоскости поляризаций. Угол поворота, пропорционален длине пути света в веществе и напряженности магнитного поля; естественно, что он зависит также от свойств вещества, частоты света оптически активные вещества под действием магнитного поля приобретают дополнительную способность вращать плоскость поляризации, складывающиеся с их естественной способностью. Как обычно, возможные применения вытекают из физической сути эффекта: управление поворотом плоскости поляризации с помощью магнитного поля или же измерение магнитных полей по углу поворота.
Частным случаем эффекта Фарадея является магнитооптический эффект Керра - при отражении под любым углом, в том числе и по нормали поверхности, линейно поляризованного света от намагниченного, ферромагнетика возникает эллиптически поляризованный свет. Фактически магнитооптический эффект Керра - это вращение плоскости полимеризации в тонком поверхностном слое ферромагнетика.
Существует еще ряд магнитооптических явлений. Так при распространении света в веществе перпендикулярно приложенному магнитному полю также возникает явление двойного лучепреломления со всеми вытекающими следствиями /эффект Коттон-Мутона/. Этот эффект очень мал по величине; надёжно измерить его удалось в некоторых жидкостях /бензол, ацетон/, стеклах и коллондах.

Механизм всех магнитооптических явлений тесно связан с механизмом прямого и обращенного эффекта Зеемана.
Прямой (обращенный) эффект Зеемана состоит в расщеплении спектральных линий испускаемого (поглощаемого) излучения, если испускающие (поглощающее) вещество находится в магнитном поле. Эффект Зеемана обусловлен расщеплением энергетических уровней атомов или молекул в магнитном поле; его полная теория изложена в любом курсе квантовой механики. Эффект Зеемана изучается с целью понять законы квантовых систем типа атомы, методы - спектральные. См. Ельяшевич М.А. «Атомная и молекулярная спектроскопия», 1961г. В заключение заметим, что механизм эффекта Фарадея, по сути дела, обусловлен обращенным эффектом Зеемана.
Примеры: Патент США 3560944: Показано, что эффект Фарадея, заключающийся в магнитном вращении плоскости поляризации, в кристаллах, характеризующихся магнитооптическим двойным лучепреломлением, будет сильнее проявляться, если падающее излучение проходит в плоскости, определяемой намагниченностью и оптической осью кристалла в направлении, параллельном намагниченности.
А.с. 223430: Поляриметр автоматический для исследования механических напряжений методом фотоупругости, содержащий оптикомеханическую систему с поляризатором, компенсатором и анализатором и фотоэлектрический регистрирующий прибор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и скорости измерений он снабжен двумя ячейками Фарадея, возбужденными раздельно переменным током, одна из которых установлена непосредственно после поляризатора, а другая - между компенсатором и анализатором.
Патент ФРГ 1287836, кольцевой лазер для определения скорости вращения имеет трубу и отражательные зеркала, которые создают замкнутый оптический контур, включающий ось лазера, а также средства, с помощью которых световые лучи обособляются и накладываются, циркулируя в оптическом контуре в противоположных направлениях. Лазер отличается тем, что предусмотрено устройство, служащее для воздействия на трубу лазера осевого магнитного поля таким образом, что в соответствии с эффектом Зеемана создаются два луча с противоположной круговой поляризацией.
Патент США 3626394: Патентуется магнитооптический преобразователь с использованием как эффекта Фарадея, так и эффекта Керра. B преобразователе имеется тонкая магнитная пленка, обладающая в достаточной мере критической толщиной, Преобразователь также содержат некоторый магнитный носитель, относительно которого пленка устанавливается с таким расчетом, чтобы она могла воспринимать магнитные состояния, ранее записанные в носителе. Кроме того, расположение пленки должно предусматривать возможность облучения ее светом, воздействие магнитной пленки из который будет проявляться во вращении его вектора поляризации в соответствии с наведенными в пленке магнитными состояниями. При этом некоторая первая часть падающего света, вектор поляризации которого установлен в соответствии с магнитным состоянием пленки, будет отражаться от пленки, а другая часть падающего света, вектор поляризации которого претерпел такое же вращение, будет проходить через пленку. Вблизи пленки установлена оптическая призма, обладающая определенным коэффициентом преломления, обеспечивающим направление света на пленку. Помимо этого, вблизи пленки помещен первый диэлектрический слой, соответствующие характеристики которого обеспечивают передачу через этот слой части света, проходящего через пленку, при соблюдении синфазности между отраженной и проходящей частями света. Вблизи первого диэлектрического слоя расположен второй диэлектрический слой, характеристики которого обеспечивают практически полное внутреннее отражение проходящего света.
Патент США 3588223: Описывается способ определения сверхпроводимости в пленках различного состава. Над пленкой, помещается лист стекла, содержащего фосфат церия. Поляризованный световой пучок отражается от пленки. Пленка подвергается воздействию магнитного поля на короткий промежуток времени, а также незначительному уменьшению ее температуры. На пути отраженного от пленки светового пучка устанавливается анализатор, позволяющий наблюдать и регистрировать постоянное изображение областей сверхпроводимости, возникающих в планке, для каждой стадии уменьшения температуры пленки.
А.с. 154680: Электрооптический функциональный преобразователь, содержащий входное устройство, воспринимающее электрический сигнал, оптическую маску, фотоэлемент и усилитесь, о выхода которого снимают напряжение, пропорциональное искомой функции, отличающийся тем, что, с целью уменьшения инерционности, входное устройство выполнено в виде соленоида, внутри которого помещены пластина из прозрачного вещества, разбитая на ячейки, посеребренные с двух сторон, и плоскости поляризации, осуществляющие поворот под действием магнитного поля.
Измерения высокого и токов в проводниках, находящихся под высоким потенциалом, затруднены. В ВЭИ им. В.И.Ленина разработана аппаратура, которой для измерения напряжения применен электрооптический эффект Керра, а для измерения тока – магнитооптический эффект Фарадея. Электрическое поле провода и, следовательно, напряжение на проводе, вызывает явление двойного лучепреломления; магнитное поле тока вращает плоскость поляризации. Таким образом, информация о токе и напряжении вводится в световой луч и затем расшифровывается. Преимущество метода - высокая помехоустойчивость; его можно использовать для измерений заряда, мгновенной мощности, потерь мощности не только при установившихся режимах, но при различного рода переходных процессах, которые обычно в высоковольтной аппаратуре сопровождаются появлением перенапряжений.