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Wellenplatten und elliptische Polarisation, Spannungsdoppelbrechung

Spannungsdoppelbrechung und Technik

Durch mechanische Beanspruchung hervorgerufene Doppelbrechung

Wir haben die Doppelbrechung bisher bei Kristallen kennen gelernt, die ja von Natur aus anisotrope Stoffe sind. Aber auch bei durchsichtigen, isotropen Stoffen lässt sie sich beobachten, und zwar dann, wenn man diese einer mechanischen Belastung (Spannung) aussetzt, welche deren Isotropie zerstört und damit die so genannte Spannungsdoppelbrechung hervorruft. Dieses Verhalten entdeckte David Brewster im Jahr 1816 und nannte es Photoelastizität.

Hierbei bilden sich optische Achsen entlang der Richtungen der angelegten Belastungen aus, was eine (mehrachsige) Doppelbrechung zur Folge hat. Je höher dabei die Belastung in einem betrachteten Bereich ist, desto stärker ist dort auch die Doppelbrechung ausgeprägt. Bereiche mit verschiedenen Belastungsgraden weisen folglich unterschiedliche Brechzahlen für o- und ao-Strahl auf.

Diese Tatsache macht man sich in der Materialforschung zu Nutze, um das Verhalten verschiedener Strukturen unter Belastung zu untersuchen. Dazu positioniert man eine Materialprobe zwischen zwei gekreuzte Polarisationsfilter und setzt sie dort einer mechanischen Spannung aus, wie im folgendem Video zu sehen. Möchte man das Verhalten eines undurchsichtigen Materials analysieren, so fertigt man dazu meist ein entsprechendes Modell aus einem durchsichtigen Stoff (z.B. Plexiglas) an, welches man dann unter Beanspruchung untersucht.

Abb.1

Man beobachtet in der Aufnahme Bereiche unterschiedlicher Färbung, die auf besagten Brechzahlunterschieden (optische Weglängendifferenzen) beruhen: Diese rufen Phasenunterschiede zwischen den Wellenfronten der verschieden stark belasteten Bereiche hervor, welche die sichtbaren Interferenzfarben bedingen.

Auf gleiche Art und Weise lassen sich auch bereits vorhandene innere Spannungen in Materialien sichtbar machen, z.B. in zu schnell abgekühltem Glas oder in Kunststoffen.

Abb.2
Innere Spannungen in einem Kurvenlineal aus Kunststoff
mit freundlicher Genehmigung von Andrea Schlögl, "Experimentalserie zur Polarisation von Lichtwellen", Linz 1995
Wozu gekreuzte Polarisatoren?
Die gekreuzten Polarisatoren benutzt man dabei zur Sichtbarmachung des so genannten Isoklinenfeldes (Muster aus schwarzen Linien, im Video schlecht sichtbar). Isoklinen entstehen überall dort in der Probe, wo das elektrische Feld der einfallenden, linear polarisierten Welle parallel zu einer Hauptbelastungsachse gerichtet ist.

Durch elektrische bzw. magnetische Felder induzierte Doppelbrechung

Nicht nur durch mechanische Spannungen, sondern auch durch Anlegen äußerer elektrischer Felder lässt sich in durchsichtigen, isotropen Materialien eine Doppelbrechung hervorrufen. Die dabei induzierte optische Achse liegt entlang der angelegten elektrischen Feldrichtung.

Zu nennen sind hier der Kerr-Effekt (entdeckt 1875) sowie der nur bei isotropen Kristallen hervorrufbare, schwächere Pockels-Effekt als Beispiele dieser elektrooptischen Phänomene.

Ebenso erzeugen Magnetfelder Doppelbrechung in isotropen Substanzen.

In Dämpfen ist hier der Voigt-Effekt, in Flüssigkeiten der Cotton-Mouton-Effekt zu erwähnen. Die hierbei induzierte optische Achse liegt entlang der Richtung des angelegten Gleichstrommagnetfeldes.

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