Еффект Фарадея

Проходящее через изотропную среду линейно поляризованное излучение всегда может быть представлено как суперпозиция двух право- и левополяризованных волн с противоположным направлением вращения. Во внешнем магнитном поле показатели преломления для циркулярно право- и левополяризованного света становятся различными (  и  ). Вследствие этого, при прохождении через среду (вдоль силовых линий магнитного поля) линейно поляризованного излучения его циркулярно лево- и правополяризованные составляющие распространяются с разными фазовыми скоростями, приобретая разность хода, линейно зависящую от оптической длины пути. В результате плоскость поляризации линейно поляризованного монохроматического света с длиной волны  , прошедшего в среде путь  , поворачивается на угол

.

В области не очень сильных магнитных полей разность   линейно зависит от напряжённости магнитного поля и в общем виде угол фарадеевского вращения описывается соотношением

,

где   — постоянная Верде, коэффициент пропорциональности, который зависит от свойств вещества, длины волны излучения и температуры.

Элементарное объяснение

Эффект Фарадея тесно связан с эффектом Зеемана, заключающимся в расщеплении уровней энергии атомов в магнитном поле. При этом переходы между расщеплёнными уровнями происходят с испусканием фотонов правой и левой поляризации, что приводит к различным показателям преломления и коэффициентам поглощения для волн различной поляризации. Грубо говоря, различие скоростей различно поляризованных волн обусловлено различием длин волн поглощаемого и переизлучаемого фотонов.

Строгое описание эффекта Фарадея проводится в рамках квантовой механики

18) Довести, що при пвв в області перетину встановиться стояча хвиля.

19)Побудувати фазовий електрооптичний модулятор на частоті сигналу.

Тензор називається тензором електрооптичних коефіцієнтів. Оскільки тензор - симетричний, це дає нам право в тензорі перші два індекси замінити на один по правилу :

11 – 1 ; 22 – 2 ; 33 – 3 ; 23(32) – 4 ; 13(31) – 5 ; 12(21) – 6 .

Симетрія кристалів накладає суттєві обмеження на вигляд тензора (вже в двоіндексованому позначенні). Як було зазначено вище, в кристалах з центром симетрії всі . Вид тензора для всіх 32 кристалографічних класів табульовано. Для найбільш вживаних в електрооптиці кристалів цей тензор має вигляд :

LiNbO₃

Запишемо рівняння електрооптичного ефекту (9) для кристалу LiNbO₃. В двоіндексованому позначенні (9´).

(9)

Розпишемо (9´) :

Таким чином, тензор поляризаційних констант кристалу LiNbO₃ під дією електричного поля довільного напрямку має вигляд :

(10)

Розглянемо тепер, для прикладу, конкретний випадок орієнтації зовнішнього електричного поля в кристалі LiNbO_3. Прикладемо поле в напрямку оптичної осі, тобто В цьому випадку тензор (10) приймає діагональний вид:

(11)

Оскільки кристал LiNbO₃ одновісний,

Знайдемо наведені електричним полем показники заломлення та , пам’ятаючи, що

Розкладемо вираз для в ряд:

(17)

На рис.3 показано вид оптичної індикатриси кристалу LiNbO₃ , наведеної електричним полем .

Рис. 3. Оптична індикатриса кристалу LiNbO₃ , наведена електричним полем .

Електричне поле Е змінюється по гармонічному закону . Необхідно реалізувати на такому кристалі макет амплітудного та фазового модуляторів.

Розглянемо випадок , коли світло розповсюджується вздовж вісі х, а поляризоване вздовж вісі у. Електричне поле падаючого оптичного променя можна записати у вигляді: де - модуль хвилевого вектора падаючого оптичного випромінювання у вільному просторі. Поляризація падаючого випромінювання співпадає з власною (звичайною) поляризацією світла в кристалі. Отже після проходження кристалу поляризація світла залишиться без зміни навіть при наявності електричного поля, яке змінюється, наприклад, по гармонійному закону: Після проходження кристалу оптичне поле на виході буде мати вигляд: де - розмір кристалу в напрямку вісі . Якщо падаюче на електрооптичний кристал світло поляризоване вздовж вісі , що співпадає з напрямком поляризації незвичайного променя, оптичне поле на виході кристала буде мати вигляд: . І в цьому випадку поляризація світла після проходження кристалу не змінилась. Дія змінного електричного поля на оптичне випромінювання, що пройшло кристал, міститься виключно в його фазі. Таким чином вихідне оптичне випромінювання буде промодульоване по фазі з відповідним індексом фазової модуляції. Для звичайної і незвичайної хвиль індекси фазової модуляції визначаються виразами:

(18)

Таке модульоване по фазі випромінювання з незмінною поляризацією перетворити в модульоване по амплітуді можна шляхом інтерференції опорного немодульованого світла і модульованого по фазі лінійним електрооптичним ефектом.

Розглянемо інший , цікавий і практично важливий режим фазової модуляції світла. Якщо світло розповсюджується, як і раніше, вздовж вісі х, але поляризоване (що суттево) під деяким кутом α до площини головного перерізу (Рис.3) , в кристалі будуть одночасно розповсюджуватись дві власні хвилі (незвичайна та звичайна). Маємо класичний варіант двох коливань з різними фазами у взаємно ортогональних площинах. Зсув фаз між власними хвилями при проходженні ними деякої відстані в кристалі (вздовж вісі х) буде мати вигляд:

(18)

В (18) Перший член в (18) являє собою звичайне оптичне двозаломлення, другий - фазовий зсув, наведений електричним полем. Це і є , власне, електрооптичний ефект. Оскільки електричне поле пов’язане з прикладеною напругою відомим співвідношенням , фазовий зсув, наведений лінійним електрооптичним ефектом можна переписати у вигляді:

. (19)

Результуюче оптичне випромінювання, що утворюється внаслідок розповсюдження в кристалі двох ортогональних власних хвиль з різними фазами і різними амплітудами, буде мати той чи інший тип еліптичної поляризації (Рис.4).

Рис.4. Поляризація вихідного випромінювання в залежності від зсуву фаз між власними хвилями.

Наприклад, при рівності амплітуд звичайної і незвичайної хвиль, і при зсуві фаз між ними 90⁰, результуюче оптичне випромінювання буде мати кругову поляризацію. При всіх інших співвідношеннях між амплітудою і фазою ортогональних власних хвиль, результуюче коливання буде мати еліптичну поляризацію (від лінійної до ортогональної лінійної). Оскільки зсув фаз між власними хвилями змінюється по закону зміни електричного поля , стан поляризації оптичного випромінювання після кристалу буде також змінюватися по закону зміни електричного поля.