2639

Таким образом, если электромагнитное поле возбуждено в

С анизотропными свойствами сред связаны различные физические эффекты. Практическое применение нашли эффекты Поккельса и Керра (в лазерной технике, в научном приборостроение), эффекты Фарадея и Коттона – Муттона (в лазерной и мазерной технике, в технике СВЧантенн и волноводов).

Рис.1.3.

1.2. Искусственная анизотропия

Многие оптически изотропные тела состоят из анизотропных молекул, хаотически ориентированных в пространстве. Микроскопическая анизотропия сглаживается лишь статистически. В результате какого - либо внешнего воздействия (механической деформации, электрического или магнитного поля), создающего физически выделенное направление в пространстве, такая среда может стать анизотропой и в макроскопическом смысле. При достаточно сильном воздействии даже первоначально изотропные структурные элементы могут стать анизотропными. Искуственное придание среде анизотропных оптических свойств привело к появлению разделов физики, получивших название электрооптика (свойства вещества изменяются при действие на него электрическогополя) и магнитооптика (изменение свойств вызывается действием магнитного поля).

9

1.2.1. Анизотропия, возникающая при деформации

Зеебек (1813г.) и Брюстер (1815г.) обнаружили искус-

ственное двойное лучепреломление в прозрачных изотропных материалах при их механической деформации.

При одностороннем растяжении или сжатии направление деформации становится выделенным и играет роль оптической оси. Для наблюдения оптической анизотропии исследуемое тело помещают между скрещенными поляризаторами.

Поскольку вышедший из деформируемого образца свет является эллиптически - поляризованным, для его исследования пользуются компенсатором. Опыт показывает, что разность n0 – ne, являющаяся мерой анизотропии, пропорциональна величине напряжения σ = F/S :

n0 – ne = kσ,

При этом разность хода для лучей о и е равна

∆= l(n0 – ne )= kб l

Разность показателей преломления n0 – ne, может быть положительной или отрицательной в зависимости от материала.

оказывается пестро окрашенным. Распределение окраски указывает на распределение напряжений в прозрачных телах.

1.2.2. Двойное лучепреломление в электрическом поле. Эффект Керра

В 1895г. Керр экспериментально установил, что многие

жидкие диэлектрики становятся анизотропными под действием электрического поля. В 1930г удалось наблюдать двойное лучепреломление под действием электрического поля в парах и газах.

Оптическая ось индуцированного двойного лучепреломления

параллельна внешнему полю E . Неполярные молекулы в электрическом поле приобретают дипольный момент в направлении поля. Опыт показывает, что для данной монохроматической волны λ разность показателей преломления пропорциональна квадрату напряженности поля:

10

n0 – ne = k2 Е2,

поэтому эффект Кэрра относится квадратичным электрооптическим эффектам.

Рис. 1.4. Схема наблюдения эффекта Керра

Р1 – поляризатор; В – ячейка Керра; P2 – анализатор; К – компенсатор; OO – индуцируемая оптическая ось.

На пути l между лучами возникает оптическая разность хода

∆ = l(n0 – ne) = k2Е2 l,

где В= k2/λ – постоянная Керра.

Большое прикладное значение эффекта Керра обусловлено его малой инерционностью. Время перехода вещества из изотропного в анизотропное состояние составляет ~ 10-10 с. Поэтому ячейка Керра служит идеальным оптическим затвором и применяется для включения или прерывания быстропротекающих процессов, в оптической локации, в оптической телефонии и т.д. Если вместо электрического импульса использовать короткий мощный лазерный импульс, то время экспозиции можно довести до 10-12 с. Керровский модулятор света, питаемый электрическим полем высокой частоты, позволяет осуществить до 109 прерываний в секунду. Модуляторы и затворы на эффекте Керра применяются, в частности, для управления режимом работы лазеров с целью получения сверхкоротких импульсов огромной мощности (1013 – 1014 Вт).

11

Эффект Поккельса

Кристаллические вещества, обладающие естественной или искусственно инициированной анизотропией, нашли широкое применение в устройствах управления лазерными пучками. Во многих случаях альтернатива таким устройствам, в виде приборов, действующих на иных нежели оптическая анизотропия, физических принципах, отсутствует. В оптическом диапазоне (в том числе в

лазерной технике) особенно часто используется связанный с анизотропией линейный электрооптический эффект (эффект

Поккельса).

Эффект Поккельса – это линейный электрооптической

эффект, состоящий в изменении показателей преломления кристалла под действием внешнего электрического поля, пропорционален напряженности электрического поля. Этот эффект был открыт немецким физиком Фридрихом Поккельсом в 1893г. и назван его именем.

Квадратичный и другие эффекты более высокого порядка много слабее эффекта Поккельса, однако в центрально-симметричных средах эффект Поккельса не проявляется, и основную роль в них играет квадратичный эффект Керра.

Эффект Поккельса возникает при приложении

электрического поля Е как вдоль оптической оси кристалла,

так и перпендикулярно ей. В первом случае эффект называется продольным, во втором – поперечным. Для наблюдегния эффекта в обоих случаях пучок света должен распространяться в направлении оптической оси, которую кристалл имел при отсутствии внешнего электрического поля.

Схема наблюдения продольного эффекта Поккельса

представлена на рис.1.5. Оптическая ось кристалла, должна быть параллельна лучу света, также и напряженность внешнего электри-

ческого поля Е должна быть коллинеарна этому направлению. Это можно осуществить, взяв прозрачные электроды, либо проделав в центрах электродов маленькие отверстия. При наличии внешнего электрического поля возникает вторая оптическая ось О’О’, перпендикулярная первой оптической оси.

12

О О

Рис.1.5. Схема наблюдения продольного эффекта Поккельса

Следовательно, индуцированная оптическая ось О’О’ перпендикулярна направлению распространения света и относительно этой оси свет испытывают двойное лучепреломление. Для этой оси

ne– n0 = аЕ ,

где а – постоянная.

Разность потенциалов, которую необходимо приложить между электродами в эффекте Поккельса, примерно на порядок меньше разности потенциалов, необходимой для получения в эффекте Керра одинакового двойного лучепреломления (при равных расстояниях между электродами). Это является важным преимуществом эффекта Поккельса для практических целей. Эффект Поккельса столь же безинерционен, как и эффект Керра. Он используется для создания быстродействующих модуляторов света. Соответствующее устройство называется ячейкой Поккельса (см. рис.1.6).

Для создания ячеек Поккельса поперечный эффект имеет определенное преимущество перед продольным. Во - первых, электроды расположенные параллельно пучку света и расстояние между ними может быть сделано достаточно малым, а длина вдоль пучкв – достаточно большой. Поэтому сделать полуволновую

Рис.1.6. Схема наблюдения поперечного эффекта Поккельса

13

При использовании продольного эффекта сдвиг фаз между обыкновенной и необыкновенной волнами для фиксированной разности потенциалов не зависит от l – длины ячейки, потому что с

Следовательно, увеличить сдвиг фаз δ можно лишь, увеличивая U. Во - вторых, технически проще осуществить ячейку с попереч-

электроды имеют меньший размер и меньшую электроѐмкость, что облегчает достижение высоких скоростей изменения потенциалов.

Учитывая важность зффекта Поккельса для многтх технических приложений, рассмотрим подробнее изменения в прозрачных для света кристаллах, когда они попадают в электрическое поле.

Силы, действующие со стороны поля на частицы кристалла, деформируют его решѐтку, причѐм по-разному в направлениях разных рѐбер. Искажение геометрии кристаллической решѐтки, естественно, сказывается на изменении оптических свойств вещества. Если, например, из некоторой точки кристалла с деформированной решѐткой направить вдоль каждого ребра решѐтки пучок света, то характеристики его распространения будут завесить от направления. Это свойство как раз и говорит об анизотропии кристалла, находящегося в электрическом поле.

Рассмотрим, какие изменения возникают в форме эллипсоида показателя преломления кристаллов с разной геометрией кристаллической решѐтки, оказавшихся в постоянном электрическом поле.

Кристаллы с кубической решеткой ( например, СuCl, ZnS, GaAs, ZnTe), характеризующиеся самой высокой симметрией, изотропны по природе, если на них не действует внешнее поле. Их эллипсоид показателя преломления (трѐхмерная поверхность

14

в координатах XYZ, полуоси которой имеют смысл показателя преломления кристалла в направлении осей: nx, ny, nz) имеет самую простую форму – сферу (рис.1.7).

Рис.1.7.

В этом частном случае, аналитическое описание эллипсоида показателя преломления изотропного кристалла также имеет простой вид:

При помещении кристалла в постоянное электрическое поле

сфера показателя преломления деформируется (рис.1.8.),

E z E

0

превращаясь в эллипсоид вращения (сфероид), у которого две полуоси остаются одинаковыми ( nx, ny= nz), а третья изменяется (nz=ne≠n0). Аналитическое описание эллипсоида усложняется

Поскольку у сфероида есть лишь одно круговое сечение плоскостью, проходящей через начало координат (плоскостью ХОY), подобные кристаллы называются одноосными. Таким образом, кристаллы с кубической формой решѐтки, в постоянном внешнем электрическом поле из изотропных превращаются в анизотропные одноосные.

15

Рис.1.8.

Кристаллы с тетрагональной решѐткой в естественных условиях анизотрпны КDP (КН2РО4 – дигидрофсофат калия),

ADP (NH4H2PO4 – дигидрофосфат амония, BaTiO3 – титанат бария) в отличие от кубических анизотропны уже сами по себе (без внешнего поля). Они одноосны, и их эллипсоид показателя преломления описывается уравнением (1.2), в котором ne<no

(рис.1.9).

Приложение электрического поля в направлении оси Z вызывает не только измерение размеров полуосей исходного сфероида показателя преломления, но и поворот на 450 новых осей (Х',Y'} относительно прежних (Х, Y). (рис.1.10).

16

Рис.1.9.

Рис1.10

На рис.1.10. пунктиром повторены сечения сфероида, соответствующие отсутствию поля (рис.1.9). Как видно, в электрическом поле сфероид превращается в полный эллипсоид, описываемый наиболее общим уравнением

Эллипсоид имеет два круговых сечения плоскостью проходящей через точку "О", и поэтому тетрагональные кристаллы постоянное электрическое поле из одноосных переводит в класс двухосных.

Кристаллы с тригональной решѐткой (LiNвO3 – ниобат лития, – танталат лития) вне электрического поля одноосны, как и тетрагональные. Их эллипсоид показателя преломления в естественных условиях описывается уравнением (1.2) и имеет форму сплюснутого по оси Z (для LiNbO3; ne<n0) или вытянутого по той же оси ( для LiTaO3 ; ne>n0) сфероида. Введение тригонального кристалла в электрическое поле , направленное вдоль оси Z , не изменяет степень анизотропии (кристалл остаѐтся одноосным), хотя все полуоси показателя преломления изменяют свою величину (см. рис.1.11).

Рис.1.11

На рис.1.11. пунктиром изображены сечения эллипсоида показателя преломления тригонального кристалла (в качестве примера взят ниобат лития, LiNbO3) вне электрического поля (Е=0). Приращения в электрическом поле полуосей эллипсоида показателя преломления ∆ n0 , ∆ ne тетрагональных и тригональных кристаллов прямо пропорциональны величине Е .

поэтому данный эффект относится к линейным.

18