2.5.Исследование квадратичного электрооптического эффекта в цтсл

Помимо рассмотренных выше материалов существует множество сред, где проявляется квадратичный электрооптический эффект ( эффект Керра).

Примером такой среды является прозрачная оптическая керамика титаната цирконата свинца легированного лантаном (ЦТСЛ). Поскольку керамика это не кристаллическое вещество, то и ведет она себя в отсутствии поля как изотропная среда, т.е. показатели преломления равны по всем направлениям. При приложении поля индикатриса деформируется в направлении поля ( эффект Керра).

Эффект Керра состоит в том, что любая жидкость, газ (или твердое тело) при помещении их в равномерное электрическое поле (которое можно получить, например, между обкладками плоского конденсатора) становятся анизотропными. Ось анизотропии направлена в данном случае по направлению поля (перпендикулярно обкладкам конденсатора). Если свет проходит в направлении, перпендикулярном оси анизотропии (см. рис. 2.13), то образующаяся при этом разность хода (и ) максимальна, а обыкновенная и необыкновенная составляющие распространяются по одному направлению. Величины и связаны с напряженностью управляющего поля E зависимостями:

(2.36)

и

(2.37)

Коэффициент пропорциональности (2.36) зависит от электрооптических свойств среды. Величину , входящую в выражение (2.37), в литературе часто называют константой Керра. Из (2.37) видно, что, чем больше значение характеризует данное вещество, тем меньшая величина напряженности электрического поля E требуется для осуществления модуляции.

Рис 2.13

Из всех жидких веществ, применяемых в практике модуляции света, наибольшим значением , равным около 3.10^-5 , обладает нитробензол.

Если перейти от напряженности поля E (ед. CGSE ) к напряжению на обкладках конденсатора (вольты), то формула (2.37) перепишется в виде:

(2.38)

Из выражения (2.38) можно найти величины напряжений, при которых модулятор изменяет свое пропускание на единицу. Положив (k = 1, 2, 3 …), получим:

(2.39)

Минимальное значение u_M , соответствующее k = 1, называется критическим или полуволновым напряжением модулятора. Оно обозначается через u_k (или ) и равно

(2.40)

Тогда формулу (2.38) с учетом (2.40) можно переписать в виде:

(2.41)

Размерность величины, входящих в (2.38) : (2.41): [рад], l_M и d_M [ см ]. После подстановки (2.41) в (2.23) и (2.24) получим:

= 45⁰ ; = 90⁰

(2.42)

= 45⁰ ; = 90⁰

(2.43)

Формулы (2.42) и (2.43) устанавливают связь между напряжением на электроно-оптическом модуляторе Керра и интенсивностью потока оптического излучения на выходе модулятора (так как ). Это и есть статическая модуляционная характеристика для образца ЦТСЛ керамики.

Схема эксперимента ля ЦТСЛ керамики (приложения напряжения и прохождения света) показана на рис.2.14.

Z

I

U

Y

X

Рис.2.14

При прохождении света перпендикулярно направлению приложенного поля (рис.2.14) между компонентами , распространяющимися вдоль осей х и z возникает фазовый сдвиг , где .

Согласно эффекту Керра в этом случае фазовый сдвиг будет пропорционален квадрату приложенного поля. Итак, в отсутствии поля , ; при приложении поля:

и . (2.44)

Построив СМХ для образца ЦТСЛ керамики можно убедиться в том, что зависимость фазового сдвига от приложенного поля квадратичная (2.44).