Birirefringe

Birefringența în calcit

Birefringența pe un cristal de calcit :
razele obișnuite și extraordinare sunt vizibile prin fluorescența roșie din cristal

Dublă refracție sau birefringența este abilitatea optic anizotrope media , o lumină fascicul în două perpendiculare reciproc polarizate la sub-grinzi separate (obișnuite și raze extraordinare). Cauza acestui efect constă în indicii de refracție diferiți  ( n _o și  n _ao ), în funcție de direcția de propagare și polarizarea luminii.

Un exemplu proeminent al unui astfel de material este calcitul (numit și Kalkspat sau Doppelspat), pe care birefringența a fost descoperită de Erasmus Bartholin în 1669 .

Materialele optic izotrope (de exemplu, în sistemul de cristal cubic ) pot deveni, de asemenea, birefringente datorită influențelor externe. Astfel de influențe sunt de ex. B.

• solicitare mecanică (deformare sau birefringență de solicitare, vezi optica de solicitare )
• Texturi și tensiuni reziduale în modelare
• câmpuri electrice (birefringență electrică, efect electro-optic Kerr )
• câmpuri magnetice (birefringență magnetică, efect Cotton-Mouton , vezi în general magneto-optică )
• frecarea internă și texturile asociate în fluxurile de lichide foarte vâscoase .

Majoritatea cristalelor lichide sunt birefringente în mod spontan.

Strâns legat sau legat de birefringență este dicroismul , în care culorile sunt absorbite în funcție de polarizare .

Cauza fizică

Elipsoidul index al unui cristal optic uniaxial

Birefringența apare în cristale optic anizotrope . Acestea au un indice diferit de refracție pentru polarizare și direcție diferite ale luminii incidente.

Elipsoidul index corespunzător poate fi:

• optic uniaxial sau uniaxial , d. H. au o axă optică și două axe de refracție majore diferite sau indici de refracție; acesta este cazul în sistemele de cristal rotative ( trigonale , tetragonale și hexagonale )
• optic biaxial sau biaxial , d. H. au două axe optice și trei axe de refracție principale sau indici de refracție. Acesta este cazul în sistemele cristaline ortorombice , monoclinice și triclinice . În general, ambele raze refractate sunt extraordinare aici ( câmpul electric și densitatea fluxului electric nu au aceeași direcție, prin care vectorul de propagare nu este perpendicular pe - așa cum este obișnuit - ci pe , vezi literatura). ${\ displaystyle {\ vec {E}}}$ ${\ displaystyle {\ vec {D}}}$ ${\ displaystyle {\ vec {k}}}$${\ displaystyle {\ vec {E}}}$${\ displaystyle {\ vec {D}}}$

Axele optice ale unui cristal birefringent nu trebuie confundate cu axa optică a unui sistem de lentile și oglinzi.

Raza ordinară și extraordinară

Construcția razei obișnuite (stânga) și extraordinare (dreapta) conform lui Huygens într-un cristal uniaxial. În cazul din stânga lumina este polarizată perpendicular pe planul desenului, în cazul din dreapta paralel cu acesta. Vitezele de propagare sunt definite în raport cu axa optică, nu în raport cu polarizarea.

Raza obișnuită și raze extraordinare sunt definite de orientarea câmpului electric lor cu planul, care este calibrat de axa optică și direcția de propagare a razei incidente ( secțiunea principală ):

• Raza ordinară este porțiunea de incident de raze al cărui câmp electric este perpendicular pe secțiunea principală. Pentru raza obișnuită, legea refracției lui Snellius se aplică mediilor izotrope din cristalele uniaxiale . adică, este nu refractata la incidență normală pe cristal birefringente . Cele mai elementare valurile de formă de raze obișnuite valuri sferice care Satisfacerea principiul Huygens .
• A doua, raza extraordinară , pe de altă parte, este partea razei incidente al cărei câmp electric oscilează în secțiunea principală a cristalului. Legea refracției nu i se aplică , adică Adică, este refractat chiar și la incidența normală a cristalului birefringent. Undele elementare ale razei extraordinare formează elipsoide de revoluție .

În fronturi de undă pentru ordinare și extraordinare propage ray la viteze diferite și , din această urmați indicii de refracție asociate: ${\ displaystyle v _ {\ perp}}$${\ displaystyle v _ {\ |}}$

${\ displaystyle n _ {\ mathrm {o}} = {\ frac {c} {v _ {\ perp}}}}$

și

${\ displaystyle n _ {\ mathrm {ao}} = {\ frac {c} {v _ {\ |}}}}$

cu viteza luminii  c în vid .

Diferența dintre indicii de refracție ( ) este o măsură a birrefringenței. Semnul se numește caracterul optic sau orientarea optică . Căci calcitul este . Calcita este deci un cristal uniaxial optic negativ , i. Adică, în ea, raza extraordinară se mișcă mai repede decât cea obișnuită: ${\ displaystyle \ Delta n = n _ {\ mathrm {ao}} -n_ {o}}$${\ displaystyle \ Delta n = -0 {,} 172}$

${\ displaystyle {\ begin {align} \ Delta n & <0 \\\ Leftrightarrow n _ {\ mathrm {ao}} & <n _ {\ mathrm {o}} \\\ Leftrightarrow {\ frac {c} { v _ {\ |}}} & <{\ frac {c} {v _ {\ perp}}} \\\ Leftrightarrow v _ {\ |} &> v _ {\ perp} \ end {align}}}$

În acest context, se vorbește despre axa rapidă și lentă . Într-un cristal uniaxial optic negativ, axa rapidă este paralelă cu axa optică a cristalului și axa lentă este perpendiculară pe acesta.

În consecință, într-un cristal uniaxial optic pozitiv , raza extraordinară se mișcă mai încet decât cea obișnuită:

${\ displaystyle {\ begin {align} \ Delta n &> 0 \\\ Leftrightarrow n _ {\ mathrm {ao}} &> n _ {\ mathrm {o}} \\\ Leftrightarrow v _ {\ |} & <v _ {\ perp} \ end {align}}}$

Prin urmare, într-un cristal uniaxial optic pozitiv, axa rapidă este perpendiculară pe axa optică a cristalului, în timp ce axa lentă coincide cu axa optică.

Birrefringența circulară

birefringența circulară dicroică în plăcile de polistiren între filtrele de polarizare încrucișată , cauzată de texturi în timpul modelării

Proprietatea substanțelor optic active de a arăta un indice de refracție diferit pentru lumina polarizată circular stânga și dreapta se numește birefringență circulară .

A fost descris pentru prima dată pe cuarț de Dominique François Jean Arago în 1811 . Acolo efectul este cu aproximativ un factor cu 100 mai mic decât birefringența liniară. Deoarece cele două efecte sunt suprapuse, birefringența circulară poate fi observată numai atunci când birefringența liniară nu are loc. Cu cuarțul este cazul de-a lungul axei optice.

Pentru a calcula rotația unui fascicul polarizat liniar datorită birrefringenței circulare dintr-un material, acesta poate fi descris ca o suprapunere coerentă a unei componente stânga și dreaptă cu aceeași intensitate. Cele două părți se deplasează prin material la viteze de fază diferite (viteza de fază mai mare corespunde indicelui de refracție mai mic). După ce materialul a trecut, suprapunerea celor două părți are ca rezultat din nou un fascicul polarizat liniar. Diferența de fază  Δφ dintre cele două componente după ce a trecut materialul este arătată printr-o rotație a planului de vibrație de polarizare cu unghiul Δφ / 2 față de planul de vibrație înainte ca materialul să treacă. Cu cuarțul, acest unghi este de ± 21,7 ° / mm grosimea materialului (±, deoarece cuarțul apare atât în ​​sensul acelor de ceasornic, cât și în sens invers acelor de ceasornic).

• Un drept rândul său , este descris cu un unghi pozitiv de rotație și are loc atunci când indicele de refracție pentru a părăsit porțiunea rotativă este mai mare decât cea pentru fracțiunea dreptaci: .${\ displaystyle n _ {\ text {L}}> n _ {\ text {R}}}$
• Un stânga rândul său , este descrisă cu un unghi negativ de rotație și are loc atunci când indicele de refracție al dreapta porțiunii de rotație este mai mare decât cea pentru procentul stângaci: .${\ displaystyle n _ {\ text {R}}> n _ {\ text {L}}}$

Cauza birrefringenței circulare în cuarț este structura sa cristalină „ elicoidală ”. Dar nu numai materialele cristaline cu structură „elicoidală” prezintă o capacitate de rotație a planului de polarizare, lichidele prezintă și această proprietate, de ex. B. Terebentină . Motivul pentru aceasta rezidă și în structura lor moleculară, care se numește chiralitate . Mai mult, o birrefringență circulară poate fi indusă de un câmp magnetic, a se vedea efectul Faraday , de ex. B. sticlă de silicat de plumb.

Există, de asemenea, efecte comparabile pentru comportamentul de absorbție a materialelor, a se vedea dicroismul circular .

Materiale birfringente

caracteristici

Tabelele conțin indicii de refracție ai sistemelor uniaxiale sau biaxiale comune la lungimea de undă a luminii roșii portocalii:

Cristale uniaxiale, pentru = 590 nm${\ displaystyle \ lambda}$ material n o n ao ${\ displaystyle \ Delta}$n = n ao  - nr Beril Be 3 Al 2 (SiO 3 ) 6 1,602 1,557 −0,045 Calcit CaCO 3 1,658 1.486 −0,172 Calomel Hg 2 Cl 2 1,973 2.656 +0,683 Ice H 2 O 1.309 1.313 +0,014 Niobat de litiu LiNbO 3 2.272 2.187 −0,085 Fluorură de magneziu MgF 2 1.380 1,385 +0,006 Cuarț SiO 2 1,544 1,553 +0,009 Ruby Al 2 O 3 1.770 1.762 −0,008 Rutil TiO 2 2.616 2.903 +0.287 Safir Al 2 O 3 1.768 1.760 −0,008 Nitrat de sodiu NaNO 3 1.587 1.336 −0.251 Turmalină (silicat complex) 1,669 1.638 −0,031 a- zirconiu ZrSiO 4 1.960 2.015 +0,055 b- zirconiu ZrSiO 4 1.920 1.967 +0,047

Cristale biaxiale, pentru = 590 nm${\ displaystyle \ lambda}$ material n a n β n ɣ borax 1,447 1,469 1,472 Sare Epsom MgSO 4 7 (H 2 O) 1.433 1,455 1,461 Mica , biotit 1.595 1.640 1.640 Mica , moscovită 1,563 1.596 1,601 Olivine (Mg, Fe) 2 SiO 4 1.640 1.660 1.680 Perovskite CaTiO 3 2.300 2.340 2.380 topaz 1.618 1.620 1.627 Ulexit 1.490 1.510 1,520

cerere

Materialele birirefringente sunt de ex. B. utilizat în plăci de întârziere și polarizatoare . Polarizatorii birefringenți includ prisma Nicol sau prisma Glan-Thompson . Acestea fac posibilă generarea de lumină polarizată liniar din lumina nepolarizată.

În cazul imaginilor optice , materialele birefringente pot fi utilizate ca filtru optic trece-jos , de exemplu pentru a reduce efectul de aliasare care apare în legătură cu senzorii Bayer .

Birefringența poate apărea și ca efect deranjant, de ex. B. în turnarea prin comprimare prin injecție a discurilor compacte . Birefringența este cauzată aici de solicitări mecanice din stratul de policarbonat , de exemplu de solicitări termice sau de forfecare pe material.

Diverse teorii sugerează că birrefringența cu pietre solare a fost un instrument istoric pentru determinarea poziției soarelui și a navigației navelor când cerul era acoperit .

dovada

Cristale de proteine birefringente
la microscop polarizant

Când proba este rotită între filtrele de polarizare încrucișată, luminozitatea sau culoarea obiectului birefringent se schimbă, în timp ce materialele optic izotrope nu prezintă modificări în imagine.

Prin urmare, detectarea unei substanțe birefringente poate fi, pentru. B. se poate face și la un microscop polarizant .

De asemenea, este posibil să se identifice materialele birefringente utilizând metoda de imersiune .

literatură

• Werner Döring: Introducere în fizica teoretică, volumul III (Optică). Colecția Göschen, Berlin 1957.
• Niederig, Heinz., Eichler, Hans-Joachim., Bergmann, Ludwig., Schaefer, Clemens.: Ediția a 9-a De Gruyter, Berlin 1993, ISBN 3-11-012973-6 , p. 496 și urm.

Link-uri web

• Script cu o secțiune despre optica polarizării (PDF, 680 KiB)
• Microscop polarizant virtual

Dovezi individuale

1. ↑ Wolfgang Zinth, Ursula Zinth: Optică . Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 2005, ISBN 978-3-486-27580-3 , p. 230 . 
2. ↑ Hans-Joachim Bautsch , Will Kleber , Joachim Bohm : Introducere în cristalografie . Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 1998, ISBN 978-3-486-27319-9 , p. 273 . 
3. ↑ ^{a b} Wilhelm Raith, Clemens Schaefer: Electromagnetism . Walter de Gruyter, 1999, ISBN 978-3-11-016097-0 , p. 425-426 . 
4. ↑ ^{a b} Glenn Elert: Refracție . În: Hypertextbook-ul de fizică . Arhivat din original la 17 septembrie 2009. Informații: linkul arhivă a fost inserat automat și nu a fost încă verificat. Vă rugăm să verificați linkul original și arhivă conform instrucțiunilor și apoi eliminați această notificare. Adus pe 21 decembrie 2010. @ 1@ 2Șablon: Webachiv / IABot / hypertextbook.com
5. ^ R. Wimberger-Friedl: Analiza distribuțiilor birefringenței în discurile compacte din policarbonat . În: Ingineria și știința polimerilor . bandă 30 , nr. 14 , 1990, pp. 813-820 , doi : 10.1002 / pen.760301403 .