Контрольные вопросы

1. Поглощение и рассеяние света.

2. Рекомбинация света с прямым переходом.

3. Двухступенчатый непрямой переход при рекомбинации света.

4. Зависимость диэлектрической проницаемости и показателя преломления от частоты.

5. Коэффициент преломления.

6. Двойное лучепреломление.

7. Эмпирическая формула Друде - Фойгта.

8. Двоякопреломляющие кристаллы.

9. Одноосные и двухосные кристаллы.

10. Оптически активные вещества.

11. Френелевское отражение.

12. Полное внутреннее отражение.

13. Внешний фотоэффект.

14. Фотогальванический эффект.

15. Фотопроводимость (внутренний фотоэффект).

16. Пироэлектрический эффект.

17. Болометрический эффект.

Лекция 3 физические эффекты, лежащие в основе работы оптоэлектронных приборов (часть 2)

3.1. Электрооптические эффекты

Электрооптический эффект – изменение показателя преломления некоторых материалов под действием электрического поля. Материалы, обладающие таким свойством, называются электрооптическими. Электрооптические эффекты бывают двух видов: эффект Поккельса и эффект Керра.

При эффекте Поккельса показатель преломления изменяется пропорционально приложенному электрическому полю (наблюдается в кристаллах KDP(KH₂PO₄), DKDP(KD₂PO₄), LiNbO₃ и др.).

В кристаллических материалах, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, под воздействием внешнего электрического поля возникает двойное лучепреломление. Разность показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного колебания пропорциональна первой степени напряженности электрического поля. Это явление называется линейным электрооптическим эффектом (эффектом Поккельса).

При эффекте Керра показатель преломления изменяется пропорционально квадрату приложенного электрического поля (нитроглицерин, сероуглерод).

Изотропные материалы, помещенные в электрическое поле, становятся анизотропными: распространяющееся в них колебание распадается на два - необыкновенное, поляризованное в направлении вектора напряженности поля, и обыкновенное, поляризованное перпендикулярно вектору напряженности поля. Эти колебания распространяются с разными фазовыми скоростями

и

,

где с - скорость света; п - показатель преломления; индексы о и е – от английских слов ordinary(обыкновенный) и enordinary (необыкновенный). Поэтому выходящий из вещества свет эллиптически поляризован. Разность показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного колебания (п_о - п_е) пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Е, в связи с чем такой эффект называется квадратичным электрооптическим эффектом (эффектом Керра).

Относительно поля эффект Поккельса - нелинейное явление второго порядка, а эффект Керра нелинейное явление третьего порядка.

Эффекты Керра и Поккельса практически безынерционны. Это позволяет использовать их для создания быстродействующих оптических затворов и высокочастотных модуляторов света.

В оптической связи чаще используют эффект Поккельса из-за хорошей линейности и низкого рабочего напряжения.

Н а рис. 3.1 показан модулятор оптического излучения на основе эффекта Поккельса. Ось z совпадает с оптической осью (показана пунктиром); оси x, y – перпендикулярны оптической оси.

Лазер излучает неполяризованный свет. Пройдя поляризатор, свет поляризуется линейно под углом 45⁰ к осям x и y. Линейно поляризованный свет можно представить в виде двух составляющих по x и по y с одинаковыми фазами. Если поле отсутствует, после прохождения через кристалл направление поляризации не меняется и анализатор, расположенный перпендикулярно к поляризатору, не пропускает свет. Если к кристаллу приложить электрическое поле, изменяется n_x и n_y, что приводит к различию скоростей распространения v_x и v_y , следовательно, к различию фаз по x и y . На выходе из кристалла свет эллиптически поляризован. Через анализатор пройдет свет с плоскостью колебаний, параллельной анализатору.

При изменении внешнего напряжения меняется форма эллипса, поэтому возможна модуляция амплитуды световых волн на выходе прибора.

Если разность хода по x и y равна λ/2 - свет на выходе кристалла линейно поляризован в направлении, перпендикулярном поляризации на входе, следовательно, его интенсивность, пропорциональная квадрату амплитуды, максимальна. Напряжение, дающее такой эффект, называется полуволновым.

Электрооптические эффекты применяют также для изготовлений быстродействующих оптических затворов (время срабатывания – единицы нс) – затворы Керра; для изготовления оптических отклоняющих систем; в оптической памяти, в трехмерных модуляторах; в оптических бистабильных элементах.

Рассмотрим подробнее эффект Поккельса. Если направленное распространение света совпадает с оптической осью кристалла или перпендикулярно ей, то тензор диэлектрической проницаемости содержит только диагональные компоненты:

Если на кристалл воздействует электрическое поле постоянного или переменного тока, световой поток, давление магнитного поля или другое внешнее возмущение, то тензор диэлектрической проницаемости кристалла изменяется. Это изменение имеет вид:

.

При отсутствии потерь δε_ii - вещественное число; δε_ij= δε_ji.

Так как в кристалле с эффектом Поккельса показатель преломления изменяется пропорционально приложенному электрическому полю, то

,

где γ_ijk- электрооптический коэффициент первого порядка; E_k- составляющая приложенного электрического поля в k-ом направлении. Поляризация P_i при использовании электрического поля E_i(ω) в области световых волн выражается формулой:

;

γ_ijk= γ_im - постоянная Поккельса (m=xx=1, m=yy=2, m=zz=3, m=yz=zy=4, m=xz=zx=5, m=xy=yx=6).

Фотоупругий эффект выражается в изменении показателя преломления под действием упругой деформации.

Если P_ijkl – коэффициент фотоупругости, а S_kl – составляющая тензора деформации, то изменение диэлектрической проницаемости, связанной с показателем преломления, под действием деформации выражается следующим образом: