Волобуев Андрей Николаевич – д.т.н

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА КРУГОВОГО ДИХРОИЗМА И ВОЗМОЖНОСТЬ СОЗДАНИЯ НА ЕГО ОСНОВЕ КРУГОВОГО ПОЛЯРОИДА
А.Н. Волобуев, Т.А. Антипова
Самарский государственный медицинский университет
Е-mail: volobuev47@yandex.ru
В оптических исследованиях биологических структур для поляризации естественного света и анализа изменения направления плоскости поляризации широко используются поляроиды. Поляроиды или поляризационные светофильтры основаны на явлении линейного дихроизма в некоторых кристаллах, например в герапатите.
Линейный дихроизм – это свойство различного поглощения света в
кристалле в зависимости от ориентации плоскости поляризации света. В
дихроичном веществе имеются удлиненные структуры (в герапатите это
углеродные цепи), вдоль которых электроны могут колебаться со значительно большей амплитудой, чем поперек [1]. Поэтому плоскость поляризации света, определяемая направлением вектора напряженности электрического поля E в световой волне и направленная вдоль этих структур, поглощается значительно сильнее, чем поперек.
В оптических исследованиях часто необходимо получить свет с круговой поляризацией. В настоящее время круговой поляроид изготавливают
соединив вместе поляроидную пластинку на основе линейного дихроизма
и четвертьволновую пластинку, задерживающую фазу волны на
1
длины
4
волны. Недостатком таких круговых поляроидов является то, что свет с
полностью круговой поляризацией получается только для монохроматического света с определенной длиной волны.
Для получения белого света с круговой поляризацией можно использовать явление кругового дихроизма (или эффект Коттона) [2]. Круговой
дихроизм заключается в неодинаковом поглощении света с право- и левокруговой поляризацией. Круговой дихроизм сопровождается явлением оптической активности вещества, т.е. вращением плоскости поляризации линейно поляризованного света. Однако, в настоящее время использование
кругового дихроизма для создания кругового поляроида затруднительно,
т.к. различие в поглощении света с право- и левокруговой поляризацией у
известных веществ очень невелико и составляет несколько процентов от
среднего коэффициента поглощения [3].
В данной работе на основе представлений Френеля о механизме оптической активности проведен анализ возникновения кругового дихроизма
с целью исследования возможности создания кругового поляроида.
Для этого найдена и использована упрощенная запись материальных
уравнений оптически активной среды без перехода в комплексную область. Эти уравнения для право- и левовращающейся компонент электромагнитного поля (индексы R и L соответственно) имеют вид:
DR  1     a ER , B R  1    a H R ;
DL  1     a EL , B L  1    a H L ,
где E, H - векторы напряженностей электрического и магнитного полей, D
и B - векторы индукций электрического и магнитного полей,  a и  a - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества,  - параметр киральности вещества (в оптике обычно хиральности).
Напряженности электрического и магнитного полей в среде с поглощением света левокруговой поляризации удовлетворяют уравнениям
Максвелла:
B
D R
D L
rotE R , L   R , L , rotH R 
, rotH L 
  E L , divBR,L  0 , divDR,L  0 .
t
t
t
Удельная электропроводность  отражает возможность возникновения
левокруговых движений электронов в веществе и, следовательно, возможность поглощения света.
На основе материальных уравнений и уравнений Максвелла получена зависимость угла поворота плоскости поляризации  от длины пути
распространения линейно поляризованного света l, которая выглядит следующим образом:
 l
l    1   1    
     

l  l ,
l 
2  VR VL  2  V0
V0 
V0

1
где  
- удельное вращение плоскости поляризации, V0 
V0
 a a
скорость электромагнитных волн в среде без особенностей, VR и VL - скорости распространения право- и левовращающейся компонент электромагнитного поля в оптически активной среде соответственно.
Как видно из представленной формулы, удельное вращение плоскости поляризации линейно зависит от параметра киральности вещества.
Также докладчиками разработаны электродинамические принципы
кругового дихроизма на основе представления об электропроводящих круговых структурах в веществе. Найдена зависимость показателя поглощения света левокруговой поляризации в составе линейно поляризованного
света от параметров вещества, которая имеет следующий вид:
1
1
(1)
q  1    aVL  aV0 .
2
2
Из этой формулы видно, что коэффициент поглощения света круговой поляризации практически не зависит от параметра киральности вещества 
или от удельного вращения  .
С использованием формулы (1) проведен анализ параметров вещества, направленный на выявление возможности создания кругового поляроида. Для этого, на основе формулы (1) и закона Бугера для интенсивности поглощения света в веществе в виде [4] с учетом I ~ D2 , было получе-
но выражение для интенсивности света левокруговой поляризации I L ,
прошедшего слой вещества толщиной Х:
I L  I L 0 exp  2qX   I L 0 exp   aV0 X  ,
(2)
где I L 0 - интенсивность света левокруговой поляризации, падающего на
вещество, 2q - показатель поглощения такого света.
С использованием формулы (2) была найдена толщина вещества Хе,
обладающего круговым дихроизмом, на которой интенсивность света одной из круговых поляризаций уменьшается в е  2,718 раз:
 a 1  0

,
a V0  a  0
где  0 и 0 - электрическая и магнитная постоянные, не зависящие от природы вещества,  и  - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости вещества.
Чем меньше величина X e , тем лучше вещество подходит для создания кругового поляроида. Данное вещество не может быть ферромагнетиком, поэтому можно принять относительную магнитную проницаемость
вещества   1 . Большая величина удельной электропроводности вещества
 слабо коррелирует с необходимой прозрачностью вещества в видимой
области.
Единственный путь уменьшения X e - это использование вещества с
Xe 
1

1
небольшим показателем преломления, т.к. n
 . С этой точки зрения
попытки применения сегнетоэлектриков с большой относительной диэлектрической проницаемостью для создания круговых поляроидов вряд ли
можно считать оправданными.
Библиографический список
1. Крауфорд Ф. Волны. Берклеевский курс физики. Т.3.- М.: Наука, 1976. С. 367.
2. Физический энциклопедический словарь. Под ред. А.М. Прохорова. - М.: Советская
энциклопедия, 1983. С. 316.
3. Джерасси К. Дисперсия оптического вращения. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1962. С. 212.
4. Волобуев А.Н. Основы медицинской и биологической физики.- Самара: Самарский
дом печати, 2011. С. 535, 541.
Сведения об авторах
Антипова Татьяна Александровна – к.ф.-м.н., доцент, дата рождения:
29.03.1981г. (докладчик, e-mail: pta2903@mail.ru, тел.:+79171223044)
Волобуев Андрей Николаевич – д.т.н., профессор, дата рождения:
23.08.1964г.
Вид доклада: устный (/ стендовый)