vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

носительно приложенного электрического поля он ведет себя как ферромагнетик, помещенный в магнитное поле.

В керамике существуют предварительно поляризованные домены, которые переориентируются под воздействием внешнего электрического поля и элемент становится оптически анизотропным. Элемент может работать как электрооптический модулятор с частотой до 100 кГц.

Ширина активного элемента совпадает с расстоянием между электродами. Напряженность электрического поля задается отношением величины приложенного напряжения U к расстоянию между электродами d. Геометрический путь светового луча между электродами равен длине элемента l. Активный элемент (1) укреплен с применением силиконового герметика (2) на изолирующем кольце (3) и вклеен между двух стеклянных пластинок (4). В качестве клея применялся канадский бальзам. Провода (6) закреплены на поверхностях электродов активного элемента и соединены с разъемом типа BNC на рамке (7).

Рис.2 Поперечное сечение композита в ячейке Керра. Активный элемент ячейки Керра 1 представляет собой параллелепипед высотой 8мм, длиной 1.5 мм и шириной 1.4 мм.

Краткая теория

23

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Световая волна, электрическое поле которой оссцилирует параллельно внешнему электрическому полю называется “необыкновенной” волной. Волна, электрическое поле которой оссциллирует перпендикулярно внешнему электрическому полю называется обыкновенной. Если показатели преломления необыкновенной и обыкно-

венной волн обозначить, как nе и n0 , а длину пути проходимого

светом в активном элементе как l , то оптическая разность хода необыкновенной и обыкновенной волн запишется как

l (nе n0 ) ,

что соответствует разности фаз:

где - длина волны света в вакууме ( = 633 нм). Можно показать, что фазовый сдвиг пропорционален длине l и квадрату поляризации P. Если предположить, что поляризация P является линейной функцией напряженности электрического поля и коэффициент пропорциональности обозначить 2 K , то можно получить следующее соотношение:

где K - постоянная Керра.

Напряженность поля E, приложенное напряжение U и расстояние между электродами d связаны соотношением:

Интенсивность света, прошедшего анализатор может быть вычислена для данной конфигурации оборудования (поляризатор и

анализатор, скрещенные под 45 с электрическим полем в активном элементе ячейки Керра) из соотношения:

где I0 – интенсивность света, вышедшего из анализатора в том случае, когда плоскости пропускания анализатора и поляризатора совпадают, а электрическое поле, приложенное к ячейке Керра равно нулю. После подстановки (2) в (4) с учетом (3) получаем:

24

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Порядок выполнения работы

Все измерения следует проводить только в темном помещении!

Лазер необходимо включать за 1 час до начала эксперимента, чтобы стабилизировать его излучение!

1. Изменяя напряжение на ячейке Керра от 300 В до 1000 В с шагом 50 В, проведите измерения интенсивности света, падающего на анализатор.

Нельзя во время эксперимента превышать напряжение 1000 В, иначе произойдет разрушение PLZТ! После каждого изменения величины подаваемого напряжения на ячейку Керра необходимо выдерживать около 5 минут и затем проводить измерения!

2. Результаты измерений занести в таблицу: (следует добавить столбцы в табл.)

25

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис.3 Относительная интенсивность излучения, как функция напряжения приложенного к ячейке и соответствующего ему фазового сдвига.

Специально рассчитан и нанесен на график фазовый сдвиг, соответствующий максимумам и минимумам интенсивности излучения. При напряжении в 615 В интенсивность излучения достигает максимума в первый раз. В этом случае обыкновенный и необыкновенный

= 180 . Таким образом, 615 В – это напряжение сдвигающее фазу на половину длины волны. В эксперименте это значение напряжения зависит от физико-химического состава активного элемента ячейки и от её температуры.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

2. Определение постоянной Керра.

На рис.4 представлен квадрат приложенного напряжения как функция фазового сдвига между обыкновеннным и необыкновенным лучами. Линейная аппроксимация данных дает для коэффици-

ента углового наклона прямой значение 1.36 103 (В2/градус). Для длины активного элемента l = 1.5 мм и его толщины d = 1.4 мм по-

Рис.4 Квадрат напряжения приложенного к ячейке как функция фазового сдвига между обыкновенным и необыкновенным лучом.

Примечание

Величина постоянной Керра может быть различной в зависимости от типа материала активного элемента.

28

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Электрооптический модулятор

Активный элемент ячейки Керра может быть использован как электрооптический модулятор, если к нему приложить одновременно постоянное и переменное напряжения. Для проверки работы модулятора необходимо собрать схему (рис.5) и провести следующий эксперимент.

Выход генератора сигналов переменного тока соединим последовательно с источником постоянного напряжения величиной 500В. Частоту переменного сигнала подбираем так, чтобы она попала в акустический диапазон. Суммарный сигнал подаём на ячейку Керра. Вместо вольтметра на выходе приемного усилителя подключаем звуковую акустическую систему. Сигнал с выхода приемного усилителя подаём на вход динамика. Регулируя амплитуду переменного напряжения на генераторе, добиваемся качественного звучания динамика.

Изменяя частоту генератора переменного сигнала вблизи её значения порядка 1кГц, наглядно демонстрируем работу электрооптического модулятора.

Рис.5 Электрооптический модулятор.

Работа 4. ИСКУССТВЕННОЕ МАГНИТНОЕ ВРАЩЕНИЕ ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА. ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ.

29

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Теоретические сведения

Свет представляет собой электромагнитные волны. Электрический вектор Е и магнитный вектор В взаимно перпендикулярны. Они располагаются в плоскости, перпендикулярной направлению луча, задаваемому волновым вектором к (рис.1). В любой точке пространства ориентация пары векторов Е и В в плоскости

Рис. 1 Векторы и в монохроматической плоской волне в разных точках оси z в один и тот же момент времени.

перпендикулярной, к может, вообще говоря, изменяться со временем. В зависимости от характера такого изменения различают естественный и поляризованный свет.

Обычные источники света являются совокупностью огромного числа быстро высвечивающихся (за времена порядка 10-10 – 10-8 с) элементарных источников (атомов или молекул). Эти источники испускают свет независимо друг от друга, с разными фазами и ори-

ентациями векторов Е и В . Ориентация векторов Е и В в результирующей волне хаотически изменяется со временем, так что, в плоскости, перпендикулярной лучу к , все направления оказываются в среднем равноправными. Такой свет называют естественным или неполяризованным.

30

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При помощи поляризаторов естественный свет можно превратить в линейно поляризованный (или плоско поляризован-

ный). В линейно поляризованной световой волне пара векторов Е

иН не изменяет с течением времени своей ориентации. Плоскость

Е, к называется в этом случае плоскостью поляризации света.

Наиболее общим типом поляризации является эллиптическая поляризация. Если наблюдать изменение электрического вектора в такой волне вдоль направления распространения, то окажется, что его конец описывает эллипс. Линейно поляризованный свет можно рассматривать как частный случай эллиптически поляризованного света, когда эллипс поляризации вырождается в отрезок прямой линии; другим частным случаем является круговая поляризация (эллипс поляризации является окружностью).

Магнитное вращение плоскости поляризации. Вещества, не обладающие способностью вращать плоскость поляризации, приобретают такую способность под влиянием внешнего магнитного поля. Явление искусственного магнитного вращения плоскости поляризации было открыто в 1846 г. Фарадеем.

Магнитное вращение плоскости поляризации происходит при распространении света в прозрачном веществе вдоль линий напряженности магнитного поля. Поэтому наблюдать магнитное вращение можно, просверлив в наконечниках электромагнита узкие каналы. При отсутствии магнитного поля, для чего ток в электромагните выключается, при скрещенных поляризаторах N1 и N2 свет не проходит через оптическую систему. При включении тока в цепь электромагнита между полюсами возникает магнитное поле, плоскость поляризации света при прохождении через прозрачное тело C поворачивается, и свет начинает проходить через призму Николя N2.

Угол поворота плоскости поляризации ψ пропорционален длине пути луча света l в веществе, находящемся в магнитном поле, и напряженности магнитного поля H:

klH ;

коэффициент k характеризует способность данного тела вращать плоскость поляризации в магнитном поле. Численные значения k,

31

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

вообще говоря, не велики. Способность вращать плоскость поляризации в магнитном поле обнаруживают как твердые прозрачные вещества, так жидкости и газы. Для некоторых сортов стекла (тяжелый флинт) величина k достигает значений 0.1, если угол ψ измерять в минутах, H – в эрстедах (1 Тесла =10000 эрстед) и l в сантиметрах.

Если тела обладают естественной оптической активностью, то при внесении их в магнитное поле их естественная способность вращать плоскость поляризации складывается со способностью вращать, возникшей под влиянием внешнего магнитного поля.

Особенно большое вращение наблюдается в очень тонких прозрачных слоях ферромагнитных металлов: железе, никеле, кобальте. Пленка железа толщиной в 0.1 микрон в магнитном поле напряженностью 10 000 эрстед поворачивает плоскость поляризации на угол 2º.

Разные тела вращают плоскость поляризации в различных направлениях. Правовращающими, или положительными называются вещества, поворачивающие плоскость поляризации вправо для наблюдателя, смотрящего вдоль магнитного поля. Если направлению линий напряженности магнитного поля сопоставить поступательное движение буравчика, то направление вращения головки буравчика укажет направление поворота плоскости поляризации. Для положительных веществ коэффициент k считается положительным.

Вещества, вращающие вектор Е в противоположном направлении

называются левовращающими, или отрицательными.

Направление вращения плоскости поляризации для данного вещества не зависит от направления распространения света.

Описание экспериментальной установки

32

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис.2

Внешний вид установки показан на рис.2. Источник питания содержит постоянный и переменный выходы по напряжению. Соедините выход переменного напряжения (диапазон 0…12В) с источником света.

Электромагнит состоит из U-образного железного сердечника, двух катушек из 600 витков и двух наконечников с отверстием. Все это смонтировано на столике со штативом.

Соедините выход переменного напряжения (диапазон 0… 12В) с источником света. Выход постоянного напряжения (диапазон 0…20В) соедините последовательно с амперметром, коммутатором и магнитом постоянного тока. Катушки магнита должны быть соединены между собой также последовательно. Коммутатор необходим для того, чтобы менять направление магнитного поля в процессе измерений. Установите столик с электромагнитом на оптической скамье. Установите экран (7) в конце оптической скамьи.

Включите блок питания, при этом должен начать работать источник света. Отрегулируйте высоту расположения магнита таким образом, чтобы свет от лампы проходил через отверстия в наконечниках, и на экране наблюдалось светлое пятно. Вложите тестируемый образец стекла (4) длиною 30 мм в гнезда наконечников электромагнита и отрегулируйте его положение так, чтобы на экране наблюдалось светлое пятно. Установите цветной светофильтр (2), поляризаторы (3) и (5) как показано на рис.2. Установите линзу (6) и

33

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

сфокусируйте световой луч на экране. Добейтесь минимального диаметра светового пятна.

Установите первый поляризатор (3) в положение 45 градусов. Поворотом поляризатора (5) добейтесь исчезновения (или минимальной освещенности) пятна на экране. При этом поляризаторы будут ориентированы под углом 90 градусов друг относительно друга.

Порядок выполнения работы:

1.Вращая ручку регулировки тока на источнике питания установите ток электромагнита 0.5 А. Поворотом анализатора (5) добейтесь минимальной освещенности пятна на экране (положение 1). За-

регистрируйте этот отсчет положения поляризатора (5)- 1. Отсчет производить с точностью до 0.2 градуса с помощью подвижной шкалы. Число десятых градуса равно числу, даваемому той чертой на подвижной шкале, которая наилучшим образом совпадает с делениями на неподвижной шкале.

2. С помощью переключателя тока в электромагните измените направление магнитного поля на противоположное. Вращая плоскость анализатора (5) в обратную сторону, заново получите на экране максимальное затемнение пятна (положение 2). Зарегистрируйте

отсчет положения поляризатора (5)- 2 . Разность этих двух отсчетов1 2 2 . Здесь - угол поворота плоскости поляриза-

ции в магнитном поле.

3. Вращая ручку регулировки тока на источнике питания, меняйте ток электромагнита и величину магнитного поля в нем. Произведите измерения отсчетов положения поляризатора (5) и определите угол поворота плоскости поляризации в соответствии с пунктами

1.и 2. для значений тока электромагнита 1А, 1.5А, 2А, 2.5А и 3А.

5.По мере измерений заполните таблицу 1:

Таблица 1

34

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

..

..

..

..

3,0

525

505

440

Рис.3а Пространственная зависимость индукции магнитного поля между катушками

35