Введение
Все физические воздействия, способные ориентировать структурные элементы первоначально изотропного вещества, могут вызывать явление искусственной оптической анизотропии. Основные способы формирования искусственной оптической анизотропии: пьезооптический (фотоупругий), магнитооптический (Коттона-Мутона), и электрооптический (Поккельса, Керра) эффекты.
Линейный электрооптический эффект был открыт в 1894 году Карлом Фридрихом Поккельсом. Впоследствии был малоизучен, а его применение было ограничено из-за невозможности получения высоких напряжений (десятки, сотни киловольт). Развитие лазеров, а также обнаружение кристаллов, требующих малых управляющих напряжений (десятки, сотни вольт), стимулировало изучение эффекта. Электрооптический эффект – это появление оптической анизотропии первоначально изотропного вещества при помещении его в электрическое поле. Наблюдаются электрооптические эффекты двух типов: линейный и квадратичный.
Эффект Поккельса – линейный электрооптический эффект, который удается наблюдать только в пьезоэлектрических кристаллах. Пьезоэлектриками называются вещества, сжатие или растяжение которых по определенным направлениям сопровождается появлением электрической поляризации («прямой пьезоэффект») и наоборот, приложение электрического поля вызывает растяжение или сжатие кристалла по направлению поля («обратный пьезоэффект»). При наблюдении эффекта Поккельса наблюдается изменение показателей преломления света в кристалле под действием электрического поля, это изменение пропорционально напряженности электрического поля. Как следствие эффекта Поккельса в кристалле появляется двойное лучепреломление или меняется его величина, если кристалл был двулучепреломляющим в отсутствие поля. Эффект Поккельса может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии. Дело в том, что он линеен относительно внешнего поля E. Поэтому при изменении направления поля E на противоположное, должен меняться на противоположное и знак изменения ∆n показателя преломления. Но в кристаллах с центром симметрии это невозможно, так как оба взаимно противоположных направления внешнего поля физически совершенно эквивалентны.
Изменение показателей преломления кристаллов под действием внешнего электрического поля происходит исключительно за счет анизотропных свойств кристаллов. Под действием постоянного электрического поля электроны смещаются в сторону того или иного иона (в случае кристалла ниобата лития LiNbO3 – это ион Li или Nb), при этом меняется поляризуемость среды и связанный с ней показатель преломления. Поскольку связь между деформацией и напряженностью электрического поля для пьезоэлектриков линейна, имеем:
ne –nо= K2E (1)
где Е – величина напряженности электрического поля, K2 – постоянная Поккельса. Для типичного пьезоэлектрика – ниобата лития LiNbO3 – величина постоянной Поккельса K2= 3.7·10-10 м/В. Кроме того, для изготовления «оптических затворов» на основе эффекта Поккельса используют такие пьезоэлектрики как дигидрофосфат калия (КДР) KH2PO4 и дигидрофосфат аммония (АДР) NH4H2PO4.
Для того чтобы пластинка ниобата лития толщиной порядка миллиметра выполняла роль «полуволновой» пластинки необходимо приложить к ней электрическое поле с напряженностью E = 5·105 В/м.
На базе линейного и квадратического электрооптических эффектов создают быстродействующие «оптические затворы», которые находят широкое применение в науке и технике. Принцип устройства такого затвора иллюстрируется на рисунке 1.
Рисунок 1 – Устройство ячейки Поккельса
Между поляроидами П1 и П2, главные плоскости которых взаимно перпендикулярны, помещается ячейка Поккельса. В отсутствие электрического поля затвор «закрыт» - свет через него не проходит.
Эффект Поккельса безынерционен – быстродействие устройств на его основе быстрее 10-9 секунд и имеет низкую зависимость от температуры ( в отличии от квадратического эффекта).