12. Эффект Керра

Эффект Керра представляет собой квадратичный электрооптический эффект возникновения двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах под воздействием однородного электрического поля.

Явление Кeppa – возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах, например жидкостях и газах, под воздействием однородного электрического поля. Открыт Дж. Керром в 1875 году.

В результате эффекта Керра газ или жидкость в электрическом поле приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого направлена вдоль поля. Явление Керра нашло за последние годы ряд чрезвычайно важных научных и научно-технических применений, основанных на способности его протекать практически безынерционно, т.е. следовать за очень быстрыми переменами внешнего поля. Таким образом, и по теоретической, и по практической ценности явление двойного лучепреломления в электрическом поле принадлежит к числу крайне интересных и важных.

О желательности постановки подобных опытов писал еще Ломоносов (1756 г.); о неудаче попытки обнаружить, влияет ли электризация на преломляющую способность жидкости, сообщает Юнг (1800 г.); и лишь в 1875 г. были выполнены опыты Керра, надежно установившие явление.

Керр показал, что многие жидкие диэлектрики становятся анизотропными под действием электрического поля. Опыты с жидкими диэлектриками имеют решающее значение, ибо для жидких веществ деформация, могущая возникнуть под действием электрического поля (электрострикция), не вызывает двойного лучепреломления (исключения составляют очень вязкие жидкости (например, желатин, пропитанный водой), в которых наблюдались подобные явления), так что в опытах с жидкостью мы имеем электрооптические явления в чистом виде. Описанный Керром эффект стал первым доказательством того, что оптические свойства вещества могут изменяться под влиянием электрического поля.

Наряду со знаменитым явлением Фарадея (вращение плоскости поляризации в магнитном поле, 1846 г.), которое было первым исследованным магнитооптическим эффектом, явление Керра сыграло важную роль в обосновании электромагнитной теории света. В более поздние годы (1930 г. и позже) удалось наблюдать двойное лучепреломление под действием электрического поля в парах и газах. Измерения эти гораздо труднее измерений в жидкостях вследствие малости эффекта, зато теория явления приложима к ним с меньшими оговорками.

Для наблюдения эффекта Керра монохроматический свет пропускают через поляризатор N1 (например, призму Николя) и направляют в плоский конденсатор, заполненный изотропным веществом (ячейка Керра, см. рис.19).

Поляризатор преобразует естественно поляризованный свет в линейно поляризованный. Если к обкладкам конденсатора не приложено напряжение, то поляризация света, проходящего через вещество, не изменяется и свет полностью гасится второй призмой Николя N2 (анализатором), повёрнутой на 90° по отношению к первой. Если к обкладкам приложено напряжение, то линейно поляризованная световая волна в веществе распадается на две волны, поляризованные вдоль поля Е_н (необыкновенная волна) и под прямым углом к полю Е₀ (обыкновенная волна), которые распространяются с разными скоростями.

Из–за разной скорости распространения фазы колебаний электрического вектора у необыкновенной волны Е_н и обыкновенной Е₀ волн по выходе из ячейки не совпадают, в результате чего результирующая световая волна оказывается эллиптически поляризованной и частично проходит через анализатор. Если между ячейкой Керра и анализатором N2 поставить компенсатор К, преобразующий эллиптически поляризованный свет в линейно поляризованный, то поворотом компенсатора можно снова добиться полного гашения света анализатором.

Рис. 19. Установка для наблюдения эффекта Керра

Опыт показывает, что для монохроматического света данной длины волны λ разность показателей преломления (n₀ и n_e) пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Е:

(12.1)

и, следовательно, разность хода, приобретаемая лучами на пути l, равна

(12.2)

Здесь и дальше предполагается, что поле однородно, а луч перпендикулярен к направлению поля. Выражая эту разность в длинах волн, получаем сдвиг фазы

(12.3)

где В = χ / λ — постоянная Керра.

Как видно из квадратичной зависимости δ от Е, сдвиг фазы не зависит от направления поля. Для большинства жидкостей n_e > n₀ , т.е. В>0: их анизотропия соответствует анизотропии положительного кристалла.

Есть, однако, жидкости, для которых В<0 (например, этиловый эфир, многие масла и спирты). Числовые значения постоянной Керра для разных веществ весьма различны. Максимальным значением В среди всех известных веществ обладает нитробензол, для которого В = 2•10^-5 СГСЭ (мы оставляем в стороне некоторые материалы (например, коллоидный раствор одного сорта глины, так называемого бентонита), для которых постоянная Керра может достигать значений, в 10 раз больших. Эти материалы представляют некоторый интерес для техники.

Таким образом, если, например, на обкладки конденсатора длиной l = 5 см с расстоянием между ними d = 1 мм наложена разность потенциалов в 1500 В, т.е. напряженность поля равна 15 000 В/см = 50 СГСЭ, то разность фаз в нитробензоле достигает π/2, иными словами, такой конденсатор Керра действует, как пластинка в четверть волны. Понятно, что нетрудно обнаружить гораздо меньшую разность фаз, и, следовательно, опыты с нитробензолом не наталкиваются на какие-либо трудности, связанные с чувствительностью. Поэтому нитробензол находит себе широкое применение во всех технических устройствах.

Для других жидкостей постоянная Керра значительно меньше; например, для хлорбензола она равна 10 • 10^-7, для воды 5 • 10^-7, для сероуглерода 3,5•10^-7, для бензола 0,5•10^-7 СГСЭ. Еще меньше постоянная Керра для газов. Так, для парообразного сероуглерода (при давлении 900 мм рт. ст. и температуре 57°С) В = 3,6•10^-10, для парообразного нитробензола 27•10^-10, а для такого газа, как азот, всего лишь 0,4•10^-10 СГСЭ.

Из приведенных данных, относящихся к длине волны λ = 546,0 нм (зеленая линия), видно, насколько трудно исследование явления Керра в газах. В первых измерениях этого рода применялся конденсатор с длиной пластин 50 см и с расстоянием между ними около 4 мм, на которые накладывалась разность потенциалов 15 000 - 20 000 В, так что напряженность поля достигала 40 000 - 50 000 В/см и получающаяся разность хода измерялась с помощью специальных анализаторов с точностью до 5•10^-6 длины волны. Постоянная Керра увеличивается при уменьшении длины волны (дисперсия) и сильно уменьшается при повышении температуры.

Объяснение эффекта Керра было дано П. Ланжевеном (1910 г.) и М. Борном (1918 г.). Электрическое поле стремится повернуть молекулы вещества так, чтобы их электрический дипольный момент был направлен вдоль поля Е. Электрическое поле не только ориентирует молекулы, но и создаёт в молекулах дополнительный дипольный момент. Это существенно, например, для инертных газов, атомы которых в отсутствии поля не обладают дипольным моментом. В результате действия поля в веществе возникает определённая ориентация частиц. При этом условия распространения в веществе световых волн, поляризованных вдоль и поперёк поля, оказываются различными. Тепловое движение препятствует ориентации атомов и молекул, поэтому постоянная Керра убывает с ростом температуры. Измеряя постоянные Керра, можно вычислить эллипсоид оптической поляризуемости, что позволяет получить важную информацию о структуре молекул.

В переменном электрическом поле эффект Керра зависит от скорости переориентации молекул при изменении знака поля. Эта скорость для низкомолекулярных жидкостей очень велика (времена изменения ориентации <10^–9 сек). Поэтому при частоте электрического поля < 10⁹ Гц интенсивность света, проходящего через анализатор, будет следовать за колебаниями электрического поля (с удвоенной частотой) практически без запаздывания. Таким образом, ячейка Керра может работать как модулятор светового потока, что имеет важное прикладное значение.

Помимо описанного электрооптического эффекта Керра в 1876 году Керром было обнаружено магнитооптическое явление (магнитооптический эффект Керра) при наблюдении отражения света от полированной поверхности полюса магнита.

Магнитооптический эффект Керра заключается в том, что плоско поляризованный свет, отражаясь от намагниченного ферромагнетика, становится эллиптически поляризованным; при этом большая ось эллипса поляризации поворачивается на некоторый угол по отношению к плоскости поляризации падающего света. Падающий свет при наблюдении магнитооптического эффекта Керра должен быть поляризован в плоскости падения либо нормально к ней, так как при всякой другой поляризации явление осложняется появлением эллиптичности поляризации, вызванной отражением от металлической (ненамагниченной) поверхности.