Если линейно поляризованный свет проходит через плоскопараллельный слой вещества, то в некоторых случаях плоскость поляризации света оказывается повернутой относительно своего исходного положения. Это явление называется вращением плоскости поляризации или оптической активностью. Если вещество не находится во внешнем магнитном поле, то оптическая активность и вращение плоскости поляризации называются естественными.
Био установил на опыте, что угол поворота s плоскости поляризации пропорционален толщине h оптически активного вещества.

Коэффициент пропорциональности a называется вращением на единицу длины. Она зависит от длины волны, природы вещества и температуры. На Рис. 1 показан луч поляризованного света, проходящий через оптически активную среду A. Угол поворота вектора напряженности E пропорционален длине участка луча в оптически активной среде.

Для жидкости вращение на единицу длины пропорционально плотности, а в случае раствора пропорционально плотности оптически активного вещества в растворе, то есть массы данного вещества в единице объема.

Далее приведены величины вращения на единицу длины некоторых веществ для длины волны желтого света натрия (589,3 нм): 

 

В оптически активных средах направления вращения по и против часовой стрелки физически не эквивалентны. Поэтому в среде не может быть плоскости симметрии, проходящей через направление нормали к фронту волны. Иначе, как это следует из общих соображений симметрии, плоскость поляризации света не могла бы вращаться, если бы она совпадала с любой из плоскостей симметрии. В то же время естественно-активные среды, если они жидкие, полностью изотропны, т.е. все направления в них совершенно эквивалентны. Это проявляется, в частности, в том, что естественно-активная жидкость вращает плоскость поляризации в одну и ту же сторону, независимо от направления распространения света. Поэтому естественно-активную жидкость можно охарактеризовать как дисимметрично-изотропную среду.

В кристаллах нет изотропии, но в одноосных кристаллах всякие два взаимно противоположные направления оптической оси также эквивалентны, по крайней мере в оптическом отношении.

Отмеченная дисимметрия напоминает дисимметрию винтовой спирали. Будем смотреть на один из торцов спирали. Пусть по спирали движется точка, вращаясь по часовой стрелке. Если при этом точка удаляется от нас, то спираль называется правой (в противоположном случае она называется левой). Если посмотреть на спираль с противоположного торца, то вращение той же точки будет происходить против часовой стрелки, но в этом случае точка будет приближаться к нам. Чтобы она удалялась, надо направление вращения изменить на противоположное. Таким образом, свойство спирали быть правой или левой не зависит от того, с какого торца на нее смотреть. Так и свойство естественно-активной среды быть право- или левовращающей не зависит от того, в каком из двух прямо противоположных направлений распространяется свет.

Сахарометрия.

Рассмотрим раствор оптически активного вещества в неактивном растворителе. В этом случае вращение a будет пропорционально не плотности раствора в целом, а плотности активного вещества. Таким образом, измерение угла вращения от плоскости поляризации можно использовать как точный и несложный в реализации метод измерения концентрации растворенного вещества. Одним из оптически активных веществ является сахар, а рассмотренный метод используется при работе с сахарными растворами.

 

Жидкокристаллические мониторы.

Элементарная ячейка жидкокристаллического монитора устроена по следующим образом: есть два параллельных поляризатора, оси которых повернуты друг относительно друга на 90 градусов. Пространство между поляризаторами заполнено оптически активным веществом - жидким кристаллом. Толщина слоя подобрана так, что вращение плоскости поляризации в слое составляет (для нужной длины волны) 90 градусов. Свет, попадая в ячейку, линейно поляризуется, проходит слой жидкого кристалла - плоскость поляризации поворачивается на 90 градусов, поэтому через второй поляризатор свет проходит без потерь, после этого свет отражается от зеркала, и вновь проходит два поляризатора и выходит из ячейки - как мы видим, ячейка прозрачна, если не считать потерь на поляризацию на входе - при прохождении первого поляризатора (Рис. 1).

Особенность жидких кристаллов в том, что под воздействием напряжения меняется величина поворота плоскости поляризации слоем вещества. Если в нашей схеме жидкие кристаллы под воздействием напряжения потеряют оптическую активность (такие вещества есть), луч света пройдет первый поляризатор и будет полностью поглощен вторым поляризатором (Рис. 1). Ячейка станет непрозрачна.

Таким образом, напряжение управляет оптической активностью слоя жидких кристаллов, а она, в свою очередь, делает ячейку прозрачной или непрозрачной.

Для наблюдения эффекта можно установить на оптической скамье два скрещенных николя. Такая система не пропускает свет. Однако, если между николями ввести пластинку кварца, вырезанную перпендикулярно к оптической оси, или слой какого-либо другого оптически активного вещества, то свет через систему будет проходить. Но его можно погасить вращением одного из николей. Отсюда следует, что после прохождения через активное вещество свет остается линейно поляризованным, но его плоскость поляризации оказывается повернутой. Для успеха опыта падающий свет, если он белый, необходимо монохроматизировать, пропустив его через светофильтр, так как угол поворота плоскости поляризации зависит от длины волны. Кварц — одноосный кристалл. В описанном опыте свет распространяется вдоль оптической оси, когда кварц ведет себя как изотропное тело, не давая обычного (линейного) двойного лучепреломления.