Общая теория измерений. Полякова весна 2016 / эффект

Эффект Поккельса (электрооптический эффект Поккельса) — явление возникновения двойного лучепреломления в оптических средах при наложении постоянного или переменного электрического поля. Он отличается от эффекта Керра тем, что линеен по полю, в то время как эффект Керра квадратичен. Эффект Поккельса может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии: в силу линейности при изменении направления поля эффект должен менять знак, что невозможно в центрально-симметричных телах. Эффект хорошо заметен в кристаллах ниобата лития или арсенида галлия.

Эффект назван в честь Ф. Поккельса (Фридрих Карл Альвин Поккельс), изучившего это явление в 1893 году.

Применение.

Эффект Поккельса, как и эффект Керра, практически безынерционен (быстродействие порядка 10−10 с). Благодаря этому он находит активное применение в создании оптических модуляторов. Соответствующий элемент называется ячейкой Поккельса и представляет собой кристалл, помещенный между двумя скрещенными николями. Николи не пропускают свет в отсутствие электрического поля, а при наложении поля пропускание появляется. Внешнее поле может быть перпендикулярно (поперечный модулятор) или параллельно (продольный модулятор) распространению света.

Эффект Поккельса

- линейный электрооптический эффект, который удаётся наблюдать только в пьезоэлектрических кристаллах. Пьезоэлектриками называются вещества, сжатие или растяжение которых по определённым направлениям сопровождается появлением электрической поляризации (т.н. «прямой пьезоэффект») и наоборот, приложение электрического поля вызывает растяжение или сжатие кристалла по направлению поля («обратный пьезоэффект»).

То есть эффектом Поккельса называется изменение показателя преломления света в кристалле под действием электрического поля, причём это изменение пропорционально напряжённости электрического поля. Как следствие эффекта Поккельса в кристалле появляется двойное лучепреломление или меняется его величина, если кристалл был двулучепреломляющим в отсутствие поля. [1]

Изменение показателя преломления кристаллов под действием внешнего электрического поля происходит исключительно за счёт анизотропных свойств кристаллов. Под действием постоянного электрического поля электроны смещаются в сторону того или иного иона (в случае кристалла ниобата - типичного пьезоэлектрика - лития LiNbOg - это ион Li или Nb), при этом меняется поляризуемость среды и связанный с ней показатель преломления. В первом приближении это изменение линейно относительно внешнего электрического поля.

Эффект Поккельса может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии. Вследствие линейности эффекта относительно внешнего поля Eэл при изменении направления поля на противоположное должен меняться на противоположный и знак изменения показателя преломления An. Но в кристаллах с центром симметрии это невозможно, так как оба взаимно противоположных направления внешнего поля физически эквивалентны. Кристалл можно поместить между двумя скрещенными поляроидами таким образом, что в отсутствие внешнего электрического поля пропускание света системой будет равно нулю. При подаче на кристалл внешнего поля появится наведённое двулучепреломление, которое изменит поляризацию прошедшего через кристалл света, и такая система начнёт пропускать свет. На этом принципе основаны многочисленные применения эффекта Поккельса в лазерной технике для оптических модуляторов, затворов и других устройств, управляющих лазерным излучением. Поскольку эффект Поккельса связан с изменением электронной поляризуемости под действием электрического поля, то он практически безынерционен - быстродействие устройств на его основе меньше 10-9 с.

Если перед кристаллом, помещённым между скрещенными поляроидами, расположить линзу или матовую пластинку, после которых лучи будут рассеиваться под различными углами, то на экране, расположенном за поляроидом, мы увидим тёмные концентрические окружности (коноскопическую картину) - результат интерференции обыкновенной и необыкновенной волн, точнее, проекцию их электрических полей на разрешённое направление выходного поляроида.

Эффект Керра - квадратичный электрооптический эффект

Возникновение двойного лучепреломления в жидкостях и аморфных прозрачных телах под воздействием электрического поля было открыто Керром в 1875 г. (эффект Керра) и нашло широкое применение в практической деятельности.

Между двумя скрещенными поляризаторами П1 и П2, плоскость пропускания каждого из которых составляет угол с вертикалью, помещена ячейка Керра - исследуемая жидкость в кювете между горизонтальными обкладками конденсатора, на которые подается электрическое напряжение.

Эффект Керра наблюдается в жидкостях, стёклах, а также кристаллических веществах (не в пьезоэлектриках!).

В результате приложения к этим веществам электрического поля появляется оптическая анизотропия (оптическая ось направлена вдоль поля), причём различие между показателями преломления обыкновенного и необыкновенного лучей, квадратично зависит от величины поля:магнитооптический модулятор свет резонатор

Величина постоянной Керра для нитробензола, например, равна K3 = 10-18 м2/В2. Отметим, что K > 0 для большинства веществ, т.е. ne > no, что соответствует положительному кристаллу. Правда, встречаются и вещества (гораздо реже), у которых K < 0, например: этиловый эфир, спирт. [4]

В электрическом поле Е = 106 В/м разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами достигает π («пластинка λ/2»), если толщина слоя нитробензола h = 20 см.

Физическая причина эффекта Керра состоит в ориентации структурных элементов вещества (например, молекул нитробензола) в электрическом поле, либо в искажении электронных оболочек молекул или атомов в электрическом поле. В первом случае эффект Керра называется ориентационным, он может наблюдаться только в веществах, состоящих из дипольных молекул. Эффект Керра второго типа («поляризационный») характерен для веществ, молекулы или атомы которых первоначально не обладают дипольными моментами, но достаточно сильно поляризуются в электрическом поле.

Благодаря квадратичности эффекта Керра, переменное электрическое поле достаточно мощного лазерного излучения будет вызывать в этом веществе появление оптической анизотропии. Её легко обнаружить, пропуская луч света через вещество, находящееся под воздействием мощного лазерного облучения. Такой эффект Керра называют «оптическим».

Оптический эффект Керра - типичный пример нарушения принципа суперпозиции электрических полей. В этом случае волна лазерного излучения изменяет свойства среды и таким образом влияет на распространение в этой среде другой световой волны. [1]