Главная | Обратная связь

Методика эксперимента

Физико-Технические Эффекты

«Электрооптический эффект Керра»

 

Выполнил: студент гр.АТ-11

Корнилков А.Н.

Проверил: доцент каф.АТ

Панов В.А.

 

Пермь 2012г.

ВВЕДЕНИЕ

Электрооптическим эффектом называется изменение показателя преломления вещества под действием внешнего электрического поля. Если показатель преломления изменяется линейно с изменением напряженности электрического поля, то такой эффект носит название линейного электрооптического эффекта, или эффекта Поккельса. В случае квадратичной зависимости показателя преломления от напряженности приложенного электрического поля явление называется эффектом Керра. Эффект Поккельса наблюдается только в кристаллах, у которых отсутствует центр симметрии. Квадратичный электрооптический эффект наблюдается, как правило, в кристаллах с центром симметрии и в изотропных веществах.

Электрооптический эффект Керра можно рассматривать как возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах под действием внешнего однородного электрического поля. Оптически изотропная среда, помещенная в однородное электрическое поле, становится анизотропной и приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого направлена вдоль поля. Это значит, что разным состояниям линейной поляризации (вдоль и поперек электрического поля) соответствуют необыкновенный и обыкновенный лучи.

Наибольшим квадратичным электрооптическим эффектом среди жидкостей обладают нитробензол и сероуглерод. Эти среды изотропны (жидкости) и электрооптический эффект для них не зависит от направления. К твердым изотропным веществам, демонстрирующим значительный (на два порядка больший, чем у жидкостей) электрооптический эффект, относится сегнетоэлектрическая PLZT керамика. Электрооптические эффекты широко используются при конструировании модуляторов света.

Рассмотрим процесс распространения линейно поляризованной световой волны через изотропную среду (рис.1 а), в которой показатель преломления n одинаков для волн, поляризованных вдоль оси x и вдоль оси у. При этом вектор напряженности Е электрического поля падающей на образец линейно поляризованной волны раскладывается на две составляющих Ехи Еу, которые в изотропной среде распространяются с одинаковыми скоростями v=c/n, где с-скорость света в вакууме. Так как скорости распространения одинаковы, обе составляющие достигают границы образца одновременно, разности фаз между ними не возникает и при их сложении поляризация опять будет линейной. То есть, для изотропного вещества в отсутствии поля причин для изменения состояния поляризации света нет (причем это касается любой, а не только линейной поляризации).

Пусть вдоль оси x приложено электрическое поле E (рис. 1б), приводящее к изменению показателя преломления света Δn для световой волны с поляризацией, направленной вдоль оси x. При этом показатель преломления для световой волны, поляризованной вдоль y, останется прежним. Это означает возникновение двойного лучепреломления под действием поля и скорости распространения для волн с разной поляризацией (E_xи E_y) становятся разными и могут быть записаны следующим образом:

для поляризации вдоль оси x

для поляризации вдоль оси y

В этом случае между векторами E_xи E_y возникает фазовый сдвиг δ, равный:

(1)

где l – длина среды, λ – дина волны света в вакууме, Δn –изменение показателя преломления.

Сложение двух одночастотных ортогональных колебаний, сдвинутых по фазе, может теперь давать не прямую линию(линейная поляризация), а эллипс(эллиптическая поляризация). Это означает, что при распространении света через оптическую среду, в которых показатели преломления различны для разных поляризаций, в результате фазового сдвига происходит преобразование линейной поляризации света в эллиптическую. Если разность фаз δ между ортогонально поляризованными составляющими волны E_xи E_y становится равной π, на выходе будет опять линейно поляризованная волна, плоскость поляризации которой повёрнута на 90˚ относительно падающей волны. Напряжение, при котором это достигается, называется полуволновым.

В небольших по величине электрических полях величина фазового сдвига δ для квадратичного электрооптического эффекта пропорциональна квадрату напряжённости поля:

(2)

где K – постоянная Керра, которая зависит от вещества, длины волны, температуры, агрегатного состояния.

Напряжённость внешнего электрического поля E можно определить, зная прикладываемое напряжение U и расстояние между пластинами конденсатора:

(3)

Для измерения разности фаз между ортогональными поляризациями после образца используется анализатор в скрещенном состоянии. Если I₀ - интенсивность света после анализатора, припараллельном положении анализатора и поляризатора, а I - интенсивность света после анализатора вскрещенном состоянии, то для прошедшего через анализатор света можно записать следующее выражение:

(4)

Подставляя (2) и (3) в (4), получим:(5)

 

Для расчета постоянной Керра К удобно формулу (5) преобразовать к виду:

В этом случае зависимость является уравнением прямой с коэффициентом наклона m причём

Методика эксперимента

Если на среду, схематически изображенную на рис.1, направить линейно поляризованный свет, азимут поляризации которого составляет 45° с направлением оси x (это значит, что амплитуды напряженности полей Е_х и Е_у равны), то в случае отсутствия поля свет на выходе сохранит свою поляризацию (поглощение и рассеяние света отсутствуют). При наложении поля между составляющими поляризации появляется разность фаз δ и свет на выходе среды изменяет свою поляризацию. Разность фаз в соответствии с (1) при заданной длине волны определяется длиной среды l и изменением показателя преломления для одной из поляризаций Δn.

Эффект Керра исследуется на образце состава Pb₀,₉₁₂₅La₀,₀₈₇₅Z₀,₆₅Ti₀,₃₅₀₃ (PLZT). Это вещество имеет величину постоянной Керра на два порядка больше, чем у других веществ, которые используются для демонстрации эффекта Керра. Вещество прозрачно для электромагнитных волн диапазона 0,4 - 5,6 мкм. Образцы такого состава проявляют сегнетоэлектрические свойства, они имеют доменную структуру, то есть, разбиты на поляризованные области. Домены меняют направление поляризации при включении электрического поля. Зависимость поляризации образца от внешнего электрического поля нелинейная, свойства вещества определяются предысторией (гистерезис). Вещество часто используется в электрооптических модуляторах.

Установка для исследования квадратичного электрооптического эффекта представлена на рис.2. В работе в качестве источника когерентного излучения используется He-Ne газовый лазер 1 мощностью 1 мВт с длиной волны 0.63 мкм. Лазер необходимо включать за 1 час до начала эксперимента, чтобы стабилизировать его излучение! Свет лазера 1 через поляризатор 2 попадает на ячейку Керра 4 (конденсатор с образцом PLZT внутри). Линейная поляризация света после поляризатора направлена под углом 45^о к линиям электростатического поля в конденсаторе. После анализатора 3 находится фотоприемник 7 со щелевой диафрагмой на входе. Сигнал с фотоприемника, пропорциональный интенсивности света, после усилителя 8 измеряется вольтметром 9. Ячейка Керра соединена с источником высокого напряжения 5, параллельно подключен цифровой вольтметр 6. Во время эксперимента нельзя подавать на ячейку напряжение больше 1000В, иначе произойдет разрушение PLZT!После каждого изменения величины подаваемого на ячейку Керра напряжения необходимо выдерживать около 5 минут и затем проводить измерения!

Устройство ячейки Керра представлено на рис. 3, где 1 - образец PLZT; 2 - силиконовая прокладка; 3 - изолятор; 4 - стеклянная пластина; 5 - канадский бальзам; 6 - провод; 7 - оправа. Длина образца 1,5 мм - это также длина пути l луча света в веществе. Ширина образца - 1,4 мм - это также расстояние d между пластинами конденсатора.

Необходимо помнить, что предыстория поляризации образца и небольшое количество неполяризованного света (фон) могут искажать результаты

Приложение 1

Постоянная Керра для некоторых жидкостей и газов при λ=589нм

Вещество	Температура (˚С)	К(сгсэ)
Нитробензол
Нитротолуол
Хлорбензол
Вода
Сероуглерод
Бензол
Хлороформ
Этиловый спирт
Ацетон
Сероуглерод
Этиловый эфир
Этиленовый спирт

Справочные данные:

Применение эффекта Керра

Для исследования природы явления Керра немаловажно решение вопроса о длительности процессов, приводящих к возникновению или исчезновению двойного лучепреломления в электрическом поле.

Измерение времени существования явления Керра было начато Абрагамом и Лемуаном (1899 г.) и несколько раз повторялось вплоть до 1939 г. Во всех этих работах не удавалось измерить искомое время с удовлетворительной точностью, но можно было только сказать, что оно меньше 10-8с, а в некоторых случаях даже меньше 10-9с.

Количественное определение времени существования явления Керра удалось произвести только с применением мощных и коротких импульсов лазерного света. На рис. 5 представлена схема опыта. Мощный импульс света с длиной волны λ = 1,06 мкм и длительностью порядка 10-12с проходит через кристалл дигидрофосфата калия КН2РО4, в котором небольшая его часть превращается в свет с удвоенной частотой, т.е. его длина волны λ = 0,53 мкм. Зеркало S1пропускает инфракрасный свет и отражает зеленый, а зеркало S2пропускает зеленый и отражает инфракрасный. За зеркалом S2расположена ячейка с изучаемым веществом между скрещенными поляризаторами P1и P2. После Р2помещается светофильтр F, отсекающий инфракрасный и пропускающий на фотоумножитель (ФЭУ) только зеленый свет. Можно так расположить детали установки, чтобы оптические пути зеленого и инфракрасного лучей были одинаковыми. С помощью пластинок стекла D различной толщины можно задерживать прибытие зеленого луча в ячейку на различные промежутки времени. Устройства различной конструкции, позволяющие создавать задержку в прибытии одного сигнала относительно другого, носят название линий задержки. Мощный импульс инфракрасного излучения создает в ячейке двойное лучепреломление, в результате которого зеленый свет также проходит через всю систему и достигает фотоумножителя.

Схема для определения исчезновения двойного лучепреломления