2. Ефекти взаємодії різних чинників з речовиною.

Магнітооптичні ефекти називають магнітною оптичною активністю. Нею володіє ряд речовин, в основному феромагнетики. Наведена магнітним полем оптична активність проявляє себе у двох эфектах - Фарадея та Керра.

Эфект Фарадея зводиться до обертання площини лінійної поляризації світлового променя, який проходить через магнітооптичне середовище. Кут обертання, коли напрямок магнітного поля співпадає з напрямком променя, є пропорційним напруженості магнітного поля.

Эфект Керра дещо подібний до ефекту Фарадея, але спостерігається

при відбитті лінійно поляризованого світла від поверхні феромагнітного матеріалу в присутності магнітного поля.

Світ, що проходить речовину або відбивається від її поверхні несе, таким чином, інформацію про поточне значення напруженості магнітного поля в об’ємі або на поверхні феромагнітного матеріалу, зафіксовану кутом обернення площини поляризації світлового променя.

Найбільш перспективними матеріалами є чисті залізо ітрієві гранати (ЗІГ) і гранати, в яких частина атомів ітрія замінена на вісмут.

Акустооптичні ефекти – широке коло явищ, пов'яза них з акустооптичною взаємодією. Основні акустоопнтичні явища такі.

• Акустооптична дифракція – дифракціясвітлана ультразвуці.

• Акустооптична рефракція – рефракциясвітла на ультразвуці.

• Оптоакустичне посилення слабких акустичних хвиль, а також їх генерація

під дією потужної оптичної хвилі

• Сонолюминесценция–генерація оптичної хвилі під впливом потужної хвилі ультразвуку в рідині.

У вузькому сенсі під акустооптичними явищами розуміють тільки дифракцію й рефракцію світла на ультразвуці. Основним явищем, яке використовується в сучасних акустоопнтичних приладах, є акустооптична дифракція.

Під дією механичних деформацій, створених звуковою хвилею, виникає просторова модуляція оптичних властивостей середовища (пружно-оптичний або фотопружний ефект). Оптичні властивості середовища зміняються в часі з частотою звукової хвилі, т. е. значно повільніше в порівнянні з періодом електромагнітних коливань в світловій хвилі, і в порівнянні з часом проходження світлового променя через звуковий пучок. Залежно від співвідношення між поперечним розміром падаючого оптичного променю d і довжиною звукової хвилі λ_зв поширення світла в такому середовищі супроводжується явищами акустооптичної рефракції або дифракції світла на ультразвуці.

Дифракція світла відбувається не тільки ззовні звуковій хвилі, що вводиться, але й на колективних коливаннях кристала – фононах, у результаті чого виникає розсіювання світла зі зміщенням частоти нагору й униз на величину частоти фонона (розсіювання Мандельштама-Бриллюена). У спектрі розсіяного випромінювання з'являються пари зміщенних за частотою компонентів Мандельштама-Бриллюена, що відповідають розсіюванню світла на поздовжніх і поперечних акустичних фононах.

З підвищенням інтенсивності світла зростаючу роль починають відігравати нелінійні ефекти впливу світла на середовище. Через електрострикцію й ефекти нагрівання середовища оптичним випромінюванням у ньому виникає змінна пружна напруга і генеруються звукові хвилі із частотами від чутних до гіперзвукових – так зване оптоакустичне явище.

У поле потужного оптичного випромінювання в результаті одночасного протікання процесів дифракції світла на ультразвуці та генерації ультразвукових хвиль внаслідок електрострикції відбувається посилення світлом цих ультразвукових хвиль. Зокрема, при поширенні в середовищі інтенсивного лазерного випромінювання спостерігається так зване вимушене розсіювання Мандельштама-Бриллюена, при якому відбувається посилення лазерним випромінюванням теплових акустичних шумів, що супроводжується наростанням інтенсивності розсіяного світла.

До оптоакустичних ефектів належить також генерація акустичних коливань періодично повторюваними світловими імпульсами, яка обумовлена змінними механічними напруженнями , що виникають в результаті теплового розширення при періодичному локальному нагріванні середовища світлом.

Електрооптичні ефекти – ефекти зміни оптичних властивостей діелектриків, що виникають під дією електричного поля. Зокрема, зміна коефіцієнта заломлення виявляє себе в ефектах Поккельса та Керра.

Ефект Поккельса – лінійний (за величиною напруженості електрично-

го поля Е) електрооптичний ефект, коли зміна коефіцієнту заломлення Δn ~ E.

Ефект Керра – квадратичний (за величиною напруженості електричного поля Е ) електрооптичний ефект, коли зміна коефіцієнту заломлення Δn ~ E².

Ці ефекти виникають внаслідок поляризації та/або орієнтації полярних молекул, що входять до складу кристалів. В кристалах без центру інверсії має місце ефект Поккельса, тоді як ефект Керра спостерігається в усіх кристалах.

Природу цих ефектів можна пояснити наступним чином.

Розповсюдження світла в анізотропному середовищі визначають через комплексний показник заломлення: n* = n – iκ, де n – визначає зменшення швидкості світла в речовині, а κ – коефіцієнт поглинання світлової енергії. Параметр n* зв’язаний із комплексною діелектричною проникністю n* = (ε_s,j)^1/2, яка, в свою чергу, в анізотропному середовищі являє собою симетричний тензор другого рангу зі вказівною повепхнею: x²/ ε₁₁ + y²/ ε₂₂+ z²/ ε₃₃ = 1, де ε₁₁, ε₂₂, ε₃₃ – діагональні ( головні) компоненти тензору.

Для опису оптичних властивостей кристалів і текстур використовують тензор поляризаційних констант, який є оберненим до тензору діелектричної проникності зі вказівною поверхнею: а₁₁ x² + а₂₂ y² + а₃₃ z² = 1 . Останнє рівняння описує еліпсоїд з головними на півосями, що дорівнюють коефіцієнтам заломлення n₁, n₂, n₃.

Еліпсоїд визначає залежність коефіцієнтів заломлення від напрямків. В оптично ізотропних діелектриках (гази, рідини, скло, аморфні речовини, кубічні кристали), показники заломлення є однаковими в усіх напрямках, тому еліпсоїд перетворюється на сферу: а₁₁ (x² + y² + z² ) = 1.

За наявністю зовнішніх дій на діелектрик ( електричних, механічних, магнітних), сфера деформується – з’являється оптична анізотропія.

В кристалах тетрагональної, гексагональної й тригональної симетрії маємо еліпсоїд обертання: а₁₁ (x² + y²) + а₃₃ z² = 1. Такі кристали називають одновісними. Для них виділяють два значення коефіцієнту заломлення: для «звичайного» променю: n²_o = (a₁₁) ^-1 , і «незвичайного» променю: n²_e = (a₃₃) ^-1. звичайний розповсюджується в речовині, як в ізотропному середовищі, незвичайний – заломлюється навіть при нормальному падінні світла на кристал.

Якщо до одновісного кристалу прикласти зовнішні поля або деформувати його, то оптична індикатриса може перетворитися на еліптичну загального вигляду, і кристал стане двовісним.

Двовісними є кристали низької симетрії (триклинні, моноклінні, ромбічні) , ї х оптичні індикатриси визначаються трьома основними коефіцієнтами заломлення: n₁, n₂, n₃.

Зміну оптичної індикатриси в сильних електричних поля зручно описувати через прирощення компонент тензора поляризаційних констант: Δа_i,j = а_i,j(E) - а_i,j(0). Це прирощення можна розкласти в ряд за напруженістю електричного поля: Δа_ij = r_ijkE_k + R_ijklE_kE_l +… Двома складовими можна обмежитися, тому,що ряд є швидкосхідним.

Таким чином, ефект Поккельса описується першою складовою цього

ряду: Δа_ij = r_ijkE_k, а ефект Керра – другою: Δа_ij = R_ijklE_kE_l.

Електрооптичні матеріали Найбільше практичне значення має ефект Поккельса, притаманний п’єзоелектрикам, зокрема, групі сполук калійдигідрофосфатів KH₂PO₄. Ефект спостерігається також в кристалах типу сфалериту. До них належать напівпровідники типу А^IIB^IV (ZnS, ZnTe, ZnSe, CdTe), А^IIIB^V (GaAs, GaP), галогеніди міді й срібла. Електрооптичними властивостями володіють також кристали типу евлітину ( Bi₄(SіO₄)₃), силеніту (nBi₂O)·mR, де R – оксиди Ge,Si, Ti, Al, Pb і т.п., а n, m – цілі числа), молекулярний кристал гекаліна ((CN₂)₆·N₄) та інші. Значний ефект мають також сегнето- та антісегнетоелектрики. Серед них виділяють подвійні оксиди BaTiO₃, LiNbO₃, CaTiO₃.

Електрогирація – ефект виникнення обо зміни оптичної активності (обертання площини поляризації світла) кристала під дією електричного поля. Зазвичай, електрогірація супроводжує електрооптичні ефекти Поккельса та Керрі. Лінійна за напруженістю електричного поля електрогірація має місце у кристалах всіх типів симетрії (крім класів m3m 43m, 432), тоді як квадратична можлива лише в кристалах без центру інверсії.

Електролюмінесценція – люмінесценція, що збуджується електричним полем. Під дією поля атоми (молекули) речовини переходять в збуджений стан якої-небудь з форм електричного розряду. З різних типів електролюмінесценції для нас найважливіша інжекційна електролюмінесценція. Вона притаманна p-n переходам в деяких напівпровідниках (SiC, GaP) в постійному електричному полі. Для створення p-n переходу необхідно привести контакт напівпровідники n- і p-типів. На межі розділу створюється значний градієнт концентрацій електронів і дірок. Це викликає дифузію електронів у напівпровідник p-типу, а дірок – у напівпровідник n-типу. Дифузія, в свою чергу, веде до порушення електронейтральності обох напівпровідників. У приконтактній ділянці напівпровідника n-типу нескомпенсованим є позитивний заряд донорів, а в напівпровіднику p-типу – нескомпенсованим є негативний заряд акцепторів. Між цима зарядами виникає внутрішнє контактне електричне поле, яке припиняє дифузію, тобто виникає потенціальний бар’єр для носіїв заряду (рис.2.30).

Електролюмінесценція виникає, якщо до p-n переходу прикласти зовнішнє електричне поле. Поле повинно бути прикладеним в так званому пропускному напрямку, коли воно діє проти внутрішнього контактного поля і зменьшує потенціальной бар’єр. Завдяки цьому n-область інжектуються надлишкові дірки, а p- область – електрони (неосновні для цих областей носії заряду). Накопичення певної концентрації неосновних носіїв заряду спричинює їх рекомбінацію. Інтенсивність рекомбінаційного свічіння може бути керованою зовнішнім електричним полем, а довжиа хвилі є різною для різних напівпровідників. Характерні особливості такої електролюмінесценції: низьке керувальне електричне поле (1 – 2 В), близький до одиниці квантовий вихід, швидкодія (< 10^-7 с). Цей вид електролюмінесценції використовується в світлодіодах та напівпровідникових лазерах.

Щ

Рис.2.30. Графіки розподілу для симетричного p-n-переходу: а – концентрації носіїв заряду; б – об’ємних зарядів; в – потенціалу; г – напруженості поля

е одним, практично важливим видом є передпробійна електролюмінесценція. Вона виникає в сильних полях (напруженістю не менш ніж 10⁵ В/см) в результаті ударної іонізації атомів решітки або домішки вільними електронами, які під дією поля набули достатню кінетичну енергію (ударна іонізація).

Передпробійна електролюмінесценція виникає в p-n-переходах, на бар’є- рах Шоттки, в конденсаторах, заповнених діелектриком із включенням порошку кристалофосфорів (ZnS, Cu), в тонкоплівкових структурах типу метал- напівпровідник-метал (МНМ), метал-напівпровідник-діелектрик-метал (МНДМ), в яких напівпровідник або діелектрик містить у собі центри світіння (ZnS:Mn, CdF₂:Eu, SrS:Ce, Cu, Br та інші). Найбільш перспективними є електролюмінесцентні присторїї на тонкоплівкових структурах типу МНМ, МНДМ.