Задачи работы

1. Измерить фазовый сдвиг между обыкновенным и необыкновенным лучом для разных значений величины напряженности электрического поля, приложенного к ячейке.

2. Определить разность потенциалов соответствующую сдвигу обыкновенного и необыкновенного лучей на половину длины волны .

3. Построить графическую зависимость - квадрат приложенного напряжения как функцию фазового сдвига между обыкновенным и необыкновенным лучами. Показать линейный характер этой зависимости.

4. Определить постоянную Керра по величине коэффициента углового наклона зависимости .

Оборудование, необходимое для измерения константы Керра

ячейка Керра высоковольтный источник питания, 0-10 кВ гелий-неоновый (He-Ne) лазер, 1мВ, 220В перем. ток поляризационный фильтр на штативе оптический рельс, l = 60 см регулируемое основание для оптического рельса подвижный крепеж для оптического рельса, h=30мм фотоэлемент универсальный измерительный усилитель цифровой мультиметр экранированный кабель, BNC, l=750 мм адаптер, разъем для BNC/разъем для штырей 4мм соединительный провод, 750 мм, красный соединительный провод, 750 мм, синий	1 1 1 2 1 2 5 1 1 2 1 1 3 2
комплектующие элементы к электрооптическому модулятору
генератор сигналов высокой частоты (1MHz) динамик 8 Ом/ 5кОм	1 1

Экспериментальная установка

Внешний вид установки для наблюдения эффекта Керра показан на рис.1 .

Рис.1 Экспериментальная установка по наблюдению эффекта Керра.

Ячейка Керра присоединена напрямую к высоковольтному источнику питания. Напряжение источника может изменяться в пределах от 0 до 1000В. Цифровой вольтметр, присоединенный к источнику, позволяет довольно точно контролировать напряжение.

Источником света является He-Ne лазер мощностью 1 мВт.

Внимание: лазер должен работать в течение одного часа перед тем, как будут начаты измерения. Это необходимо для стабилизации мощности излучения. Более того, после каждого изменения напряжения приложенного к ячейке Керра, кристаллическая структура перестраивается в течение 5 минут, и только по истечении этого времени можно делать корректные измерения излучаемой интенсивности света.

Неполяризованная часть излучения (фоновое излучение) должна быть исключена. Следует учесть, что экспериментальные данные во многом зависят от предыстории состояния ячейки Керра. Для разных ячеек Керра число наблюдаемых максимумов может быть различным.

Никогда не смотрите прямо в неослабленный лазерный пучок!

Как следует из рисунка 1, вертикально поляризованный свет от гелий-неонового лазера падает на ячейку Керра, которая сориентирована под углом 45 к вертикали. Исходная падающая световая волна может быть представлена в виде суперпозиции двух линейно поляризованных волн, электрические векторы которых синхронно колеблются в направлениях перпендикулярном и параллельном ячейке Керра и вектору напряженности внешнего электрического поля, приложенного к ячейке.

Эти две световые волны распространяются сквозь ячейку с разными скоростями. Световая волна, поляризованная параллельно электрическому полю задерживается относительно волны колеблющейся перпендикулярно ему. Это порождает фазовый сдвиг между этими волнами, и свет на выходе из ячейки Керра оказывается, поляризован эллиптически. Это приводит к тому, что анализатор, расположенный за ячейкой Керра и ориентированный перпендикулярно поляризатору перестанет гасить свет, прошедший сквозь ячейку. Когда оптическая разность хода оказывается равной , суперпозиция волн на выходе из ячейки дает линейно поляризованную волну.

Эта волна повернута на 90 относительно направления поляризации исходной волны, т.е. относительно вертикали. Приложенное в этот момент к ячейке напряжение, тем самым называется “полуволновым напряжением”. В этом случае интенсивность света прошедшего через анализатор, который ориентирован под 90 к поляризатору, покажет максимум.

Кремниевый детектор используется для регистрации излучения, вышедшего из анализатора.

В 1875 году Керр обнаружил, что стеклянная пластина, к которой приложено сильное электрическое поле, становится двулучепреломляющей. Вскоре стало понятно, что деформация стекла в электрическом поле не является причиной этого эффекта, поскольку он был обнаружен в подобных условиях и в газах и в жидкостях.

Композит свинца, лантана, циркония и титана, используемый в данном эксперименте, обладает на два порядка большим двойным лучепреломлением, чем нитробензен, и для того, чтобы изучать электрооптический эффект в этой керамике достаточно напряжения всего в несколько сот вольт. Эта керамика прозрачна для волн c длиной от 0.4 до 5.6 мкм. Ее химический состав описывается формулой Pb 0.9125 La 0.0875 Zr 0.65 Ti 0.3503. Принимая во внимание пропускание света, композит ведет себя как прозрачный поликристалл. Для  = 633 нм его коэффициент пропускания более 60%. Относительно приложенного электрического поля он ведет себя как ферромагнетик, помещенный в магнитное поле.

В керамике существуют предварительно поляризованные домены, которые переориентируются под воздействием внешнего электрического поля и элемент становится оптически анизотропным. Элемент может работать как электрооптический модулятор с частотой до 100 кГц.

Ширина активного элемента совпадает с расстоянием между электродами. Напряженность электрического поля задается отношением величины приложенного напряжения U к расстоянию между электродами d. Геометрический путь светового луча между электродами равен длине элемента l. Активный элемент (1) укреплен с применением силиконового герметика (2) на изолирующем кольце (3) и вклеен между двух стеклянных пластинок (4). В качестве клея применялся канадский бальзам. Провода (6) закреплены на поверхностях электродов активного элемента и соединены с разъемом типа BNC на рамке (7).

Рис.2 Поперечное сечение композита в ячейке Керра. Активный элемент ячейки Керра 1 представляет собой параллелепипед высотой 8мм, длиной 1.5 мм и шириной 1.4 мм.