Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Физические эффекты с оптическими результатами воздействия
К оптическим результатам воздействия относятся: интенсивность оптического излучения, коэффициент преломления, угол поворота плоскости поляризации и др. К физическим эффектам с оптическими результатами воздействия относятся: эффекты Поккельса, Керра, Фарадея; фотоупругий эффект и др. 3.3.1. Фотоупругий эффект Фотоупругий эффект (фотоупругость) – возникновение оптической анизотропии в первоначально изотропных средах под действием механических напряжений. Структурная схема фотоупругого эффекта показана на рис. 3.13. Фотоупругий эффект проявляется в виде двойного лучепреломления (раздвоение светового луча на два луча – обыкновенный и необыкновенный лучи), как показано на рис. 3.14, и дихроизма (появление окраски анизотропного поля в белом свете). Причиной возникновения фотоупругости является зависимость диэлектрической проницаемости вещества от деформации.
Рис. 3.13 Рис. 3.14 Показатели преломления n 0 (обыкновенного луча) и nе (необыкновенного луча) вдоль направления ABи перпендикулярно к нему максимально отличаются друг от друга. Разность Δn показателей преломления n0 обыкновенного и ne необыкновенного лучей является мерой анизотропии и пропорциональна величине механического напряжения [11]: Δ n = (n 0 – n e) = k. F, (3.38) где Δ n – величина двойного лучепреломления; F – сила; k – упругооптическая постоянная, зависящая от материала. Фотоупругий эффект обусловлен деформацией электронных оболочек атомов и молекул и ориентацией оптически анизотропных молекул либо их частей, а в полимерах – раскручиванием и ориентацией полимерных цепей и может проявляться как в твердых телах, так и в жидкостях. Необходимыми условиями проявления фотоупругости в твердых телах является прозрачность тела. Жидкости могут обнаруживать оптическую анизотропию, если в них присутствуют молекулы определенных видов, в частности длинные цепочечные молекулы. В неподвижных жидкостях оси этих молекул расположены беспорядочно, но в жидкостях могут образовываться некоторые области, обладающие кристаллическими свойствами, когда жидкость образует тонкий слой, толщина которого соизмерима с длиной цепочки. В таких тонких пленках могут возникать стабильные жидкие кристаллы.
При ламинарном течении жидкости анизотропия обнаруживается во всем ее объеме. Это обусловлено тем, что если соседние слои жидкости имеют разные скорости, то длинные цепочечные молекулы стремятся ориентироваться перпендикулярно к градиенту скорости, что приводит к появлению анизотропии. Фотоупругий эффект проявляется на телах любой формы. Для оценки жесткости и оптической чувствительности материала используется коэффициент качества Кε, который характеризует оптическую чувствительность материалов по деформациям: , (3.39) где Е – модуль упругости; – оптический коэффициент напряженности, или фотоупругая постоянная. Оптические характеристики некоторых материалов приведены в табл. 3.7.
Таблица 3.7
Фотоупругий эффект используется для исследования потоков жидкостей, в датчиках перемещения, деформации и др. 3.3.2. Эффект Фарадея Эффект Фарадея – вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света в оптически активных веществах под действием магнитного поля. Структурная схема эффекта Фарадея имеет вид, показанный на рис. 3.15. Магнитное вращение плоскости поляризации обусловлено возникновением ассиметрии оптических свойств вещества под действием магнитного поля. Направление вращения плоскости поляризации зависит только от природы вещества и направления магнитного поля. Знак вращения отсчитывается для наблюдателя, смотрящего вдоль магнитного поля. Большинство веществ дает правое (положительное) вращение: все диамагнитные и некоторые парамагнитные вещества дают правое вращение; отрицательное вращение дают некоторые парамагнитные вещества. Угол поворота плоскости поляризации света θ может быть определен как , (3.40) где СВ – постоянная Верде; ве; В – магнитная индукция.
Измеряя угол поворота плоскости поляризации света, можно определить индукцию магнитного поля или силу тока, если преобразователь поместить в магнитном поле измеряемого тока.
Уравнение (3.40) справедливо для составляющей индукции B l, направленной вдоль пути света. Знак угла θ зависит от направления вектора магнитной индукции, но не зависит от направления света, что позволяет увеличить угол θ, если свет многократно пропускать через ячейку Фарадея. Эффект Фарадея используется для измерения магнитной индукции и тока. При использовании эффекта Фарадея измерение магнитной индукции сводится к измерению угла поворота плоскости поляризации света. При измерении тока магнитная индукция создается измеряемым током. На рис. 3.16а показан простой магнитооптический преобразователь для измерения тока, который состоит из магнитооптической ячейки Фарадея, расположенной вблизи провода с током [23]. Для повышения чувствительности в преобразователях на основе эффекта Фарадея используется увеличение длины пути прохождения светового луча в ячейке Фарадея за счет многократного отражения(рис. 3.16б) или использование многовитковой ячейки Фарадея из гибкого волоконного световода (рис. 3.16в). Для преобразователя с волоконным световодом зависимость между током и углом поворота плоскости света имеет вид θ = CB μ 0 I x.(3.41)
а б в 1 – проводник с током; 2 – ячейка Фарадея; 3 – отражатель света Рис. 3.16
В качестве рабочего вещества для магнитооптических преобразователей применяются стекла, содержащие оксид свинца (флинты, кроны) и плавленый кварц. Особенно большую постоянную Верде имеют пленки из феррита-граната, удельное фарадеевское вращение плоскости поляризации света в которых на два-три порядка больше, чем в стеклах. Пример измерителя тока на эффекте Фарадея показан на рис. 3.17. 1– источник света; 2 – поляризатор; 3 – измеряемый ток; 4 – ячейка Фарадея; 5 – анализатор; 6 – фотоприемник Рис. 3.17
В качестве источника оптического излучения 1 используется лазер, свет от которого через поляризатор 2 направляется к преобразователю Фарадея 4. Свет, пройдя через ячейку 4, анализатор 5, принимается фотоприемником 6. Выходным сигналом является фототок I Ф или выходное напряжение Uвых: ; , (3.42) где RH – сопротивление нагрузки фотоприемника; SФ – чувствительность фотоприемника; J ВЫХ – интенсивность светового потока на входе (на выходе анализатора J ВЫХ) фотоприемника, , (3.43) где J – интенсивность света на входе анализатора; φ – угол между поляризатором и анализатором; θ – угол поворота плоскости поляризации. Так как угол θ поворота плоскости поляризации зависит от измеряемого тока IХ, создающего магнитное поле, то по значению выходного сигнала фотоприемника (J ВЫХ или U ВЫХ) можно судить о значении измеряемого тока. 3.3.3. Эффект Керра Эффект Керра заключается в возникновении двулучепреломления поляризованного света, распространяющегося в диэлектрике, помещенном электрическом поле. Оптически изотропный диэлектрик (твердый, жидкий, газообразный) может стать оптически анизотропным при внесении его во внешнее однородное электрическое поле (эффект Керра). Под действием поля диэлектрик по своим оптическим свойствам становится подобным одноосному кристаллу, оптическая ось которого параллельна направлению поля. Эффект Керра (структурная схема изображена на рис. 3.18) возникает во многих изотропных веществах, но наиболее часто используется нитробензол, который имеет наибольший коэффициент Керра по сравнению с другими веществами (вода, бензол, эпоксидные компаунды и др.).
1 – оптически активное Рис. 3.18 вещество; 2 – конденсатор Рис. 3.19
На рис. 3.19 показано устройство ячейки Керра (преобразователя Керра). Электрическое поле в оптически активном веществе 1 создается с помощью двух электродов 2, на которые подается электрическое напряжение U. Для монохроматического света, распространяющегося в веществе перпендикулярно вектору напряженности внешнего электрического поля , разность хода для обыкновенного и необыкновенного лучей , (3.44) где k – коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств вещества. Интенсивность света J на выходе ячейки Керра (рис. 3.19) определяется выражением , (3.45) где J 0 – интенсивность света на входе ячейки; С k – коэффициент Керра; l k – эффективная длина ячейки Керра; d –расстояние между электродами. Одной из характеристик веществ, в которых наблюдается эффект Керра, является постоянная Керра: К = k / n, где n – абсолютный показатель преломления вещества в отсутствие внешнего электрического поля. Электрооптический эффект Керра используется для измерения напряженности электрического поля и напряжения. На рис. 3.20 показано устройство вольтметра на основе эффекта Керра. 1 – лазер; 2 – поляризатор; 3 – оптически активное вещество; 4 – конденсатор; 5 – анализатор; 6 – фотоприемник; 7 – измерительный прибор Рис. 3.20 Поляризованный луч света, образуемый с помощью источника света 1 (лазер) и поляризатора 2, проходит через электрическое поле в оптически активном веществе 3, создаваемое конденсатором 4, к электродам которого приложено измеряемое напряжение Ux. При этом луч света направлен перпендикулярно вектору напряженности этого поля. После анализатора 5свет попадает в фотоприемник 6, где он преобразуется в электрический сигнал, измеряемый прибором 7. 3.3.4. Эффект Поккельса Эффект Поккельсазаключается в возникновении двухлучепреломления поляризованного света, распространяющегося в диэлектрике, помещенном в электрическом поле. Структурная схема эффекта представлена на рис. 3.21. Рис. 3.21 Рис. 3.22 Линейный электрооптический эффект Поккельса наблюдается в пьезоэлектрических кристаллах, находящихся в электрическом поле. В зависимости от направления вектора напряженности электрического поля возникает продольный или поперечный эффекты Поккельса. Продольный эффект сильнее всего проявляется в кристаллах дигидрофосфата аммония NH4H2PO4 или гидрофосфата калия KH2PO4. Поперечный эффект сильно проявляется в кристаллах ниобата лития LiNbO3. На рис 3.22 показана ячейка Поккельса, в которой наблюдается продольный эффект Поккельса. Электрическое поле в кристалле 1 может быть создано при помощи кольцевых электродов 2, к которым приложено напряжение U. Интенсивность света J на выходе ячейки Поккельса можно определить из выражения
, (3.46) где J 0 и J – интенсивность света на входе и выходе ячейки Поккельса; r 63 – электрооптический коэффициент кристалла; n0 – показатель преломления кристалла в отсутствие электрического поля; λ – длина волны излучения; l П – эффективная длина преобразователя Поккельса. Поперечный эффект сильно проявляется в кристаллах ниобата лития LiNbО3. Эффект Поккельса используется в электрооптических вольтметрах и модуляторах света. Схема вольтметра на основе продольного электрооптического эффекта Поккельса подобна схеме вольтметра на основе эффекта Керра (см. рис. 3.20). 3.3.5. Эффект Доплера Эффект Доплера – изменение частоты колебаний ω или длины волны λ, воспринимаемой наблюдателем, при движении источника колебаний и (или) наблюдателя относительно друг друга. Структурная схема эффекта Доплера имеет вид, показанный на рис. 3.23. При распространении гармонической волны с длиной волны λ0, испускаемой неподвижным источником, в однородной среде с постоянной скоростью неподвижный наблюдатель будет принимать последовательные максимумы волны через временной промежуток t0 = λ0/υ, где υ – скорость распространения волны в среде. Если источник движется в сторону наблюдателя со скоростью V << υ, то максимумы гармонической волны будут приниматься наблюдателем через интервалы времени t = λ/υ = (λ0 – V. t0)/υ, меньшие, чем интервалы t0, то есть частота гармонической волны f = 1/t, воспринимаемая наблюдателем, будет больше частоты волны f0, испускаемой источником. Эффект Доплера существует для любых волн, наблюдается в двух движущихся относительно друг друга системах отсчета и проявляется на телах любой геометрической формы. Возможно несколько вариантов расположения источника и приемника излучения, при которых обнаруживается эффект Доплера [11]. При движении источника излучения (рис. 3.24а), частота излучения которого f 0, неподвижный наблюдатель будет воспринимать частоту f 0,которая может быть найдена по формуле , (3.47) где f 0– частота, испускаемая источником излучения; V И – скорость источника излучения; υ – скорость распространения волны в среде; θ – угол между направлением скорости источника и направлением от источника к приемнику.
а б в И – источник излучения; П – приемник излучения; РТ – рассеивающее тело
Рис. 3.24
При движении приемника излучения (наблюдателя), рис. 3.24б, частота изучения f, воспринимаемая приемником (наблюдателем): . (3.48) где VП – скорость приемника излучения (наблюдателя); δ – угол между направлением скорости приемника и направлением от источника к приемнику. При одновременном движении приемника излучения (наблюдателя) и источника излучения частота излучения f, воспринимаемая приемником (наблюдателем): . (3.49) При приеме неподвижным приемником излучения, рассеянного движущимся телом (рис. 3.24в), частота принимаемой рассеянной волны , (3.50) где f 0– частота, испускаемая источником излучения, падающая на рассеивающее тело; VР – скорость рассеивающего тела; θ и δ – углы между направлением падения излучаемой волны на тело и направлением от тела к приемнику. Различают продольный, поперечный, сложный и аномальный эффекты Доплера. При θ = 0 или θ = π наблюдается продольный эффект Доплера, когда источник излучения движется прямо на наблюдателя или от него. Изменение частоты в этом случае максимально. При θ = π /2 возникает поперечный эффект Доплера, который связан с чисто релятивистским эффектом замедления времени и не имеет волновой специфики. В средах с дисперсией волн может возникнуть сложный эффект Доплера. Аномальный эффект Доплера возникает в случае, если скорость V источника излучения больше скорости υ распространения волны, т. е. V > υ, когда на поверхности конуса углов, удовлетворяющих условию Если на движущийся объект направлено излучение с частотой f 0, то частота отраженного сигнала отличаетсяот f 0 в соответствии с уравнением Доплера на величину [23] , (3.51) где V – скорость объекта; υ – скорость распространения излучения. Если υ = с, где с – скорость света, то при V < 104 м/с можно использовать приближенную формулу или , (3.52) где λ = с / f 0 – длина волны излучаемого сигнала. Эффект Доплера нашел широкое применение для измерения параметров движения, например для измерения скорости движения различных объектов, скорости потока жидкости или газа в трубопроводах и других величин. В качестве источника излучения используются источники излучения с частотами от ультразвуковых частот до частот γ-излучения. 3.3.6. Голографический эффект Голографический эффект заключается в записи, воспроизведении и преобразовании волновых полей. Структурная схема голографического эффекта показана на рис. 3.25. В основе эффекта лежат явления дифракции и интерференции волн. Если на регистрирующую среду (фотопластинку) одновременно направить две волны А1 и А2 (рис. 3.26), то в результате сложения этих двух когерентных волн получится интерференционная картина, в которой распределение интенсивности света описывается выражением [23] где и – комплексные амплитуды колебаний волн А1 и А2; J 1, J 2 и φ 1, φ 2 – амплитуды и фазы волн А1 и А2.
Рис. 3.25 1 – лазер; 2 – светоделитель; 3 – фотопластинка; 4 – объект Рис. 3.26
Проявленная фотопластинка с изображением, соответствующим распределению интенсивности света I∑, названа голограммой. Она содержит информацию о разности фаз волны А1 (опорная волна) и волны А2 (сигнальная, или предметная волна) и представляет собой сложную дифракционную решетку. Если голограмму снова осветить опорной волной А1, то получится новая волна с комплексной амплитудой: . (3.54) Члены, содержащие амплитуду и фазу предметной волны, описывают волну, которая образует трехмерное изображение. Следует отметить, что тонкая фотопластинка позволяет зарегистрировать интерференционное поле опорной и сигнальной (предметной) волн в одном его сечении, информация о распределении плотности потока энергии электромагнитного поля в соседних сечениях теряется. С увеличением толщины фотопластинки на ней зарегистрируются другие сечения. Для получения трехмерного изображения объекта необходимо, чтобы толщина фотоэмульсии была больше длины волны излучения. Голография широко используется для бесконтактного измерения геометрических размеров, параметров рельефа различных объектов, контроля их состояния и др. Например, для контроля деформации объекта при различных температурах на одну и ту же пластинку последовательно во времени записывают две голограммы контролируемого объекта. Одна голограмма отражает состояние объекта при температуре Т1, а другая – при температуре Т2. При восстановлении такой «двойной» голограммы формируются две волны, которые интерферируют между собой. Если состояние объекта изменилось при изменении его температуры (изменились его геометрические параметры), то в результате восстановления голограммы получим изображение, покрытое интерференционными полосами, отражающими характер происшедших изменений.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2017-01-27; просмотров: 629; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.148.112.95 (0.053 с.) |