15.3. Электрооптические явления

Так называют явления связанные прохождением света через среды, помещенные в электрическом поле.

Электрооптический эффект Керра. Многие изотропные вещества, помещенные в электрическое поле, приобретают свойства одноосных кристаллов, т.е. обнаруживают оптическую анизотропию, приводящую к двойному лучепреломлению света, проходящего через вещество перпендикулярно направлению поля. При этом величина двойного лучепреломления пропорциональна квадрату напряженности поля и ее знак не меняется при изменении направления поля на обратное. (другие названия эффекта:квадратичный электрооптический эффект,поперечный электрооптический эффект).

Величина эффекта зависит от вещества, его температуры и длины волны света. В газах эффект Керра мал, а в жидкостях его величина гораздо больше. Аномально сильно он проявляется в нитробензоле и подобных ему жидкостях.

Наиболее часто указанный эффект реализуется в т.н. электрооптических затворах Керра. Прозрачную кювету с электродами для создания поля, заполненную нитробензолом, помещают между скрещенными поляризатором и анализатором таким образом, что направление поля составляет угол 45° с их главными плоскостями поляризации. Если поле отсутствует, такое устройство не прозрачно для света. При наложении поля, линейно поляризованный свет при прохождении через кювету расцепляется на два перпендикулярно поляризованных луча, имеющих в пределах кюветы различные скорости распространения. При этом между ними возникает разность фаз, что приводит к эллиптической поляризации света, вышедшего из кюветы. При этом часть его проходит через анализатор. Затвор открыт. Высокая скорость срабатывания такого затвора (10^-11сек) обусловило его применением в исследованиях быстропротекающих процессов и для высокочастотной (до 10⁹Гц) модуляция оптических сигналов. Применение эффекта дает хорошие результаты и в том случае, когда требуется безинерционное пространственная модуляция света (отклонение луча, его расщепление и т.п.). Взаимосвязь через эффект Керра двух полей – электрического и оптического – позволяет применять его для дистанционного измерения электрических величин оптическими методами.

Еще два примера применения эффекта Керра:

- оптическая система с управляемым фокусным расстоянием, отличающийся тем, что с целью безинерционного изменения фокусного расстояния она выполнена в виде цилиндрического рабочего тела из вещества, обладающего электрооптическим эффектом, помещенного внутрь, например, шестипольного конденсатора, электрическое поле которого создает такое распределение показателя преломления в веществе рабочего тела, что падающий на его торец параллельный пучок света собирается в фокусе, положение которого на оси системы зависит от приложенного конденсатору напряжения;

- устройство для измерения температуры содержащее источник света, пластины из матированного прозрачного материала, пространстве между которыми заполнено жидкостью с близким пластинам показателем преломления и различным по знаку или величине температурным коэффициентом показателя преломления, отличающееся тем, что с целью расширения диапазона измерений, в него введены, прозрачные электроды, выполненные, например, на основе пленок окиси олова, нанесенные снаружи на пластины, подключенные к источнику питания, а в качестве жидкости заполняющей пространство между пластинами использован нитробензол.

Значительным квадратичным электрооптическим эффектом обладают и некоторые кристаллы (КТ Ват).

Эффект Керра, вызванный электрическим полем световой волны называется высокочастотным. Он проявляется в том, что для мощного излучения показатель преломления жидкости зависит от интенсивности света, т.е. среда становится нелинейной, что для интенсивных лазерных пучков приводит к самофокусировке.

Эффект Керра– квадратичный электрооптический эффект, возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах (жидкостях, стеклах, кристаллах с центром симметрии) под воздействием однородного электрического поля. Открыт шотландским физиком Дж. Керром в 1875 г. величина двойного лучепреломления пропорциональна квадрату напряженности электрического поля.

Магнитооптический эффект Керра состоит в том, что плоско поляризованный свет, отражаясь от намагниченного ферромагнетика, становится электрически поляризованным, при этом большая ось эллипса поляризации поворачивается на некоторый угол по отношению к плоскости поляризации падающего света. Наблюдается также оптический эффект Керра, состоящий в том, что возникает двулучепреломление под действием поля мощного оптического излучения.

Примечание: в ячейке Керра - электрооптическом устройстве, основанном на этом эффекте, применяемой в роли оптического затвора

Рис. 15.2. Модулятора света

Ячейка Керра состоит из сосуда с прозрачными окнами, заполненного пропускающим свет веществом, в которые погружены два электрода. Между электродами проходит линейно поляризованный световой луч, который в отсутствии поля не пропускается анализатором А. При включении поля

возникает двойное лучепреломление и анализатор А частично пропускает свет (анализатор А и поляризатор П-в скрещенном положении) [3].

Эффект Поккельса. Возникновение двойного лучепреломления в кристалле при наложении электрического поля в направлении распространения света называетсяэффектом Поккальса. При этом величина разности фаз расщепленных лучей пропорциональна первой степени напряженности поля (линейный электрооптический эффект, а также продольный электрооптический эффект). Наиболее ярко эффект реализуется в кристалле дигидрофосфата калия (КДР).

Эффект Поккельса по сравнению с эффектом Керра имеет меньшую зависимость от температуры. Применение этих эффектов аналогичны (затворы вращатели плоскости поляризации, индикаторы электрического поля, модуляторы света).

Примеры применения:

- оптико-электронное устройство для измерения мощности, содержащее монохротический источник излучения, магнитооптическую ячейку Фарадея с поляризатором и анализатором, фотоприемник и усилитель с нагрузкой в выходной цепи, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения, оно снабжено последовательной цепочкой элементов состоящей из четвертьволновой пластины, электрооптической ячейки Поккельса и дополниельного анализатора, установленной между анализатором ячейки Фарадея и фотоприемником;

- модулятор света, включающий в полупроводниковую структуру генерирующую в домены сильного поля, боковая поверхность или часть боковой поверхности, которая покрыта диэлектриком, отличающийся тем, что с целью расширения частотного диапазона модулируемого излучения, уменьшение потерь и увеличение коэффициента модуляции, диэлектрическое покрытие выполнено из материала с константой электрооптического эффекта большей, чем у материала полупроводниковой структуры.

Эффект Поккельса –линейный электрооптических эффект, изменение показателя преломления света в кристаллах, помещенных в электрическое поле, пропорциональное напряженности приложенного поля. Как следствие этого эффекта в кристаллах появляется двойное лучепреломление или меняется его величина. Эффект Поккельса наблюдается только у пьезоэлектриков. Был открыт в 1894 г. немцем Ф. Поккельсом. Главная причина - электрические напряжения большой величины (десятки - сотни кВ) для получения заметного эффекта. В последнее время найдены кристаллы, требующие малых управляющих напряжений (порядка десятков или сотен вольт).

Примечание: системы углового отклонения светового луча; устройства для создания двумерного оптического изображения.

Модуляторы света - основаны почти все на эффекте Поккельса. Возможно осуществить модуляцию до частот ~10¹³ Гц, модуляция добротности лазеров[3].