Возможные механизмы и как их отличить — кратко и по делу.
1) Натуральная оптическая активность (круговое двулучепреломление, CB)
- Что делает: поворачивает плоскость линейной поляризации за счёт разности показателей для LCP и RCP.
- Формула: угол поворота $\theta =\frac{\pi L}{\lambda }(n_L-n_R)$.
- Признаки: независима от азимута образца (для изотропно-хиральной среды), даёт почти чистую ротацию (малая эллиптичность если нет круговой дихроизмы), обычно не зависит от интенсивности при низких мощностях (линейный эффект), оборот при смене направления распространения (эффект рекурсивен — знак меняется при инвертировании направления луча), характерная спектральная дисперсия.
2) Линейное двулучепреломление (LB) / анизотропия
- Что делает: фаза между ортогональными линейными поляризациями → преобразование поляризации в эллиптическую, азимут-зависимость.
- Признаки: зависимость от ориентации образца (вращение образца даёт синусоидальную модуляцию измеряемой величины), появляется эллиптичность; может возникать из механических напряжений, структурных анизотропий или индуцироваться светом (фотоэлaстический/оптический ориентирующий эффект).
3) Нелинейная оптика (интенсивностно-зависимые эффекты)
- Оптический Керр (электронный нелинейный): $\Delta n=n_{2}I$. Соответствующая фазовая задержка $\delta =\frac{2\pi L}{\lambda }\Delta n=\frac{2\pi L}{\lambda }{n}_{2}I$. Быстрый (электронный), масштабируется линейно по мгновенной интенсивности.
- Термические эффекты: $\Delta n(T)$ через нагрев, медленная динамика (мс–с и более), зависит от средней мощности, часто нелинейная зависимость.
- Фотоиндукция/насыщение/двухфотонные процессы: изменение поглощения и, через Kramers–Kronig, изменение n; могут давать нелинейную зависимость (напр. $I^2$ для двухфотонных процессов) и изменение со временем.
Эксперименты и признаки для разделения вкладов
A) Поляриметрия полного вектора (Stokes/Mueller)
- Измерьте полную матрицу Мюллера или все параметры Стокса при разных интенсивностях. CB проявится как чистый элемент, отвечающий за круговую фазу; LB — как элементы линейного ретардера и дихроизма. Этот метод количественно разделяет CB, LB, CD, LD.
B) Зависимость от ориентации образца
- Вращайте образец вокруг оси луча. Если сигнал изменяется синусоидально → вклад LB (анизотропия). Если не зависит от азимута → натуральная оптическая активность или изотропный нелинейный эффект.
C) Обратимость при реверсе направления распространения
- Пропустите луч в противоположном направлении через тот же путь. Нереверсивный (неменяющий знак) результат укажет на некотоpые магнитные (Faraday) или нелинейные несимметричные эффекты; натуральная оптическая активность и линейное двулучепреломление при реверсе меняют знак фаз/ротации (рекурсивны). Это помогает выделить ненулевой вклад ферромагнитного/Ой эффекта.
D) Зависимость от интенсивности и масштабирование
- Измерьте $\theta (I)$ и подгоните под модели: для Керр $\theta \propto I$ через $\Delta n=n_{2}I$; для термических эффектов обычно нелинейная и зависит от средней мощности и времени; для двухфотонных процессов возможна эквивалентная $\propto I^2$-зависимость в возникновении поглощения. Постройте лог–лог график $\theta$ vs $I$ для определения степенной зависимости.
E) Временная (динамическая) диагностика
- Модулируйте мощность или используйте pump–probe. Быстрая (фемто–пико) реакция → электронный Керр; медленная (мс–с) → тепловые/механические процессы или релаксация молекул. Lock-in с разными частотами хорошо отделяет быстрые и медленные вклады.
F) Зависимость от длины волны (спектроскопия)
- Измерьте спектрально $\theta (\lambda )$. Натуральная оптическая активность имеет характерную дисперсию; Керр-эффект и термическая дисперсия отличаются по форме и масштабу; резонансные механизмы проявляются рядом аномалий.
G) Поляризация входного луча
- Используйте разные входные состояния: линейная при разных азимутах, RCP/LCP. CB даёт чистую ротацию для линейной поляризации, но при вводе LCP/RCP изменение фазы между ними проявится как относительная задержка; LB даёт зависимость от входного азимута и создаёт эллиптичность. Сравните выходные эллиптичности и ротацию.
H) Контроль температуры и усреднённой мощности
- Охлаждение/тепловой экранировкой и измерение при разной усреднённой мощности помогут отделить термический вклад.
I) Интерферометрические измерения фаз
- Прямое измерение разности фаз между ортогональными поляризациями (микроинтерферометр, Mach–Zehnder) позволит количественно получить $\Delta n$ и его зависимость от $I$.
Краткий план действий в лаборатории (последовательность)
1. Измерьте базовую поляриметрию при низкой интенсивности (Stokes/Mueller).
2. Варьируйте интенсивность и строите $\theta (I)$ — определите масштаб зависимости (линейный/квадратичный/сaturational).
3. Ротация образца — проверка на LB.
4. Реверс направления — проверка на нерекурсивные (Faraday) эффекты.
5. Временная модуляция / pump–probe — разделение быстрых (Kerr) и медленных (тепло) процессов.
6. Спектральные измерения и температурный контроль для окончательной идентификации.
Вывод: нелинейная зависимость угла может быть вызвана комбинированным действием оптической активности, линейного двулучепреломления (включая светоиндуцированную анизотропию) и нелинейных эффектов (Керр, термальные, фотоиндуцированные). Комплекс Stokes/Mueller-поляриметрии, измерений зависимости от ориентации и направления, интенсивности, времени и длины волны — даст возможность разложить вклады и идентифицировать доминирующий механизм.