Эффект керра. Физическая сущность электрооптического эффекта Керра и его применения в физике

• Название: Физическая сущность электрооптического эффекта Керра и его применения в физике
• Анкор: Эффект керра
• Дата: 23.11.2021
• Размер: 46.12 Kb.
• Имя файла: Bystrov Kerra.docx
• Тип: Реферат; #279883

Факультет ФН «Фундаментальные науки» Кафедра ФН4 «Физика»

Реферат по дисциплине «Прикладная физика»
на тему: «Физическая сущность электрооптического эффекта Керра и его применения в физике»

Группа ФН4-51Б

Студент Быстров Д. А.

Преподаватель Задорожный Н. А.


Москва 2021 год

Введение

Отрасли физики, известные под названием электрооптики и магнитооптики, получили свое начало еще в далеком 1845 году со времени открытия Фарадеем вращения плоскости поляризации поляризованного света при прохождении в прозрачной среде параллельно силовым линиям магнитного поля. Это было результатом его долгих исследований о связи между светом, электричеством и магнетизмом.

В своей статье, описывающей это открытие он говорит: «Как и многие любители естествознания, я уже долгое время придерживался мнения, почти перешедшего в уверенность, что те различия формы, в которых проявляются силы материи, имеют одно общее начало, т.е., другими словами, они так зависят друг от друга и так связаны друг с другом, что могут быть преобразованы одни в другие и что существуют эквиваленты их действия». Это убеждение Фарадея привело его к поискам дальнейших связей между светом, электричеством и магнетизмом, но чувствительность его аппаратуры была недостаточна для определения таких данных. Но, однако, следует заметить, что эти убеждения и ранние исследования служили постоянным стимулом для применения более усовершенствованной техники и поисков новых явлений в области электро и магнитооптики среди его преемников. Наиболее важные открытия эффектов носят имена Керра, Зеемана и Коттон-Мутона.

Действительно, большинство открытий в электро и магнитооптике являлось следствием экспериментаторов усовершенствовать свою аппаратуру. В данном реферате подробно изложен эффект Керра, изучаемый при прохождении света через среду перпендикулярно к силовым линиям электрического поля.

Электрооптический эффект Керра

Эффект Керра — это 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.

Сам Керр наблюдал это явление сначала на стекле, вводимом в электрическое поле. В этом случае, а также в случае всех других твердых тел оптическая анизотропия может быть вторичным явлением, а именно может возникать в результате механических деформаций, производимых электрическим полем. Однако последующие исследования самого Керра и других ученых показали, что явление наблюдается также в жидкостях и даже в газах, где механическая анизотропия исключена. Кроме того, «чистый эффект Керра» можно отделить от эффекта, вызванного механическими деформациями, исследуя явление в переменных полях: при внезапном включении или выключении электрического поля механические деформации возникают и исчезают не сразу, а с некоторой задержкой, тогда как явление Керра в чистом виде (наблюдаемое в жидкостях и газах) происходит практически безинерционно.

Механизм эффекта Керра обусловлен различной поляризуемостью молекул диэлектрика по разным направлениям. Электрическое поле ориентирует полярные молекулы вдоль поля и индуцирует электрический момент у неполярных молекул. Поэтому показатели преломления (а, следовательно, и скорости распространения в веществе световых волн, поляризованных вдоль и перпендикулярно вектору напряженности электрического поля) становятся различными, и возникает двойное лучепреломление. Общая схема наблюдения этого явления изображена на рис. 1.



Рис. 1. Схема расположения приборов для наблюдения двойного лучепреломления в электрическом поле. и – скрещенные николи (поляризаторы), между которыми расположен конденсатор, заполненный исследуемым веществом, К – компенсатор, L – линза .

В отсутствие внешнего электрического поля свет через систему не проходит. Монохроматический свет, собранный линзой L в параллельный пучок, поляризуется николем N1, проходит между двумя параллельными металлическими пластинами K и через второй николь N2, скрещенный с первым. При наложении электрического поля возникает двойное лучепреломление, вследствие чего свет по выходе из конденсатора становиться эллиптически поляризованным и частично проходит через николь . С помощью компенсатора К можно измерить разность фаз между лучами, возникающими при двойном лучепреломлении.

В работе между поляризатором и анализатором, направления пропускания которых взаимно перпендикулярны (такие поляризаторы называются скрещенными), располагают ячейку Керра.

Теоретическое описание электрооптического эффекта Керра. Ячейка Керра

Ячейка Керра представляет собой конденсатор, заполненный прозрачным изотропным веществом. Плоскость поляризации падающего на ячейку излучения составляет угол 45° с направлением электрического поля, так что в отсутствие электрического поля свет не проходит через анализатор. При включении поля среда приобретает анизотропные свойства, при этом происходит разделение луча на два: обыкновенный (о) и необыкновенный (е). Оба луча линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях. Показатели преломления обыкновенного ( ) и необыкновенного ( ) лучей и их скорости в направлении перпендикулярном полю различны. Проходя через вещество, обыкновенный и необыкновенный лучи приобретают разность фаз и, складываясь на выходе, дают в общем случае эллиптически поляризованный свет, частично проходящий через анализатор. Величина фазового сдвига обыкновенного и необыкновенного лучей анизотропной среды определяется выражением:

(1)

где ℓ — длина пути в веществе, — длина волны света (в работе она равна 633 нм), — показатель преломления необыкновенного луча, — показатель преломления обыкновенного луча.

При разности хода обыкновенного и необыкновенного лучей, равной на выходе будет линейно поляризованная волна, плоскость поляризации которой повернута на 90° относительно падающей волны.

В электрических полях, применяемые в работе, величина фазового сдвига пропорциональна квадрату напряженности поля E :

, (2)

где K — постоянная Керра, которая зависит от длины волны, температуры, агрегатного состояния вещества, структуры молекул вещества (см.таблицу).

Таблица. Значения постоянной Керра для некоторых жидкостей и газов при давлении 760 мм.рт.ст в случае газов

Вещество	Температура, °С	Постоянная Керра В, СГСЭ-ед.	Вещество	Температура, °С	Постоянная Керра В, СГСЭ-ед.
Жидкости			Газы
Нитробензол	20	2,2*10-5	Этиловый спирт	18	9,2*10-10
Нитротолуол	20	1,2*10-5	Ацетон	83	5,4*10-10
Хлорбензол	20	1*10-6	Сероуглерод	57	3,6*10-10
Вода	20	4,7*10-7	Этиловый эфир	63	-0,66*10-10
Сероуглерод	20	3,2*10-7	Этиленовый спирт	20	-1,7*10-10
Бензол	20	6*10-8
Хлороформ	20	-3,5*10-8

Для большинства веществ ,т.е. постоянная Керра положительна. Это соответствует анизотропии положительного кристалла. Значительно реже встречаются случаи, когда В<0 ( этиловый эфир, многие масла и спирты). Максимальным значением В из всех исследованных веществ обладает нитробензол.

Напряженность внешнего электрического поля можно определить, зная прикладываемое напряжение и расстояние между пластинами конденсатора :

. (3)

С учетом формулы (3), будем иметь:

. (4)

Можно показать, что интенсивность света I на выходе из анализатора:

, (5)

где — интенсивность света, падающего на анализатор при параллельном положении анализатора и поляризатора и при нулевом электрическом поле; – интенсивность света на выходе из анализатора при наличии электрического поля, приложенном к ячейке Керра и направленном под углом 45° к скрещенным анализатору и поляризатору.

Подставляя (4) в (5), окончательно получим:

. (6)

Эффект Керра в переменных полях . Применения эффекта Керра

Рассмотрим теперь механизм возникновения двойного преломления в переменных полях. Если молекулы полярные, в одну половину периода их постоянные дипольные моменты стремятся ориентироваться в направлении внешнего электрического поля. В следующую половину периода, когда внешнее поле изменит направление на противоположное, возникнет такая же, но противоположно направленная ориентация. Эффекты ориентации, вызванные такими полями, вычитаются. В низкочастотных полях (в радиодиапазоне) в каждый момент времени устанавливается ориентация, соответствующая мгновенном значению электрического поля. В этом случае явление протекает так же, как в статистических полях.

Однако в высокочастотных полях (с длинами волн короче 1 см) ориентация постоянных дипольных моментов практически прекращается. В таких полях постоянные дипольные моменты не могут играть роли в возникновении анизотропии, а с ней и двойного преломления среды. Ориентация обусловлена только индуцированными дипольными моментами. В одну половину периода, когда электрическое поле направлено в определенную сторону, индуцированные дипольные моменты создают моменты сил, стремящиеся приблизить оси наибольшей поляризуемости молекул к направлению электрического поля. В следующую половину периода направления всех моментов меняются на противоположные. Однако они также будут приближать оси наибольшей поляризуемости молекул к тому же направлению внешнего поля. Действительно, в отличие от вектора, у оси наибольшей поляризуемости нет одностороннего направления, оба направления ее совершенно эквивалентны. Не имеет никакого значения, каким концом эта ось приближается к направлению вектора . Таким образом, эффекты ориентации осей наибольшей поляризуемости в соседние половины периода, несмотря на противоположные направления векторов в эти полупериоды, будут складываться, а не вычитаться. Хотя за каждый полупериод ориентация и ничтожна, благодаря такому сложению за время релаксации анизотропии возникает достаточная ориентация, чтобы вызвать двойное преломление.

Благодаря чрезвычайной быстроте установления и исчезновения явления Керра оно нашло широкие научные и технические применения в качестве быстродействующих затворов и модуляторов света. Керровский модулятор света представляет собой ячейку Керра, конденсатор которой питается электрическим полем высокой частоты. Он позволяет осуществить громадное число (до 109) прерываний в секунду, недостижимое другими (например, механическими) средствами. Ячейка Керра, на которую подается кратковременный импульс электрического поля, может служить фотографическим затвором, время действия которого определяется длительностью этого импульса. Если в качестве электрического импульса взять мощный световой импульс от лазера, то время экспозиции можно довести до с. Керровские затворы и модуляторы света применяются в лазерной технике для управления режимом работы лазеров.

Заключение

Джон Керр обнаружил, что некоторые изотропные вещества, помещенные в электрическое поле, приобретают свойства одноосного кристалла с оптической осью, параллельной электрическим силовым линиям. Был установлен закон Керра, который формулируется следующим образом: Величина двойного лучепреломления прямо пропорциональна квадрату напряженности электрического поля.

Метод экспериментального определения постоянной Керра основан на выделении длины волны с помощью светофильтра или монохроматора; так же в наиболее чисто сделанных работах элемент Керра помещается в термостате. Очень важно знать является ли исследуемое вещество проводником, иначе указанные в работе методы неприменимы, так как невозможно поддерживать постоянное электрическое поле в элементе Керра, не нагревая или не разлагая среду. Отсюда необходимость включения поля только на очень короткое время, чтобы избежать повышения температуры вследствие проводимости.

В теоретической части работы представлены различные методы расчета постоянной Керра, а также приведена таблица с показателями константы для жидкостей и газов. Нужно отметить, что для большинства веществ постоянная положительна. Это соответствует анизотропии положительного кристалла. Значительно реже встречаются случаи, когда постоянная отрицательная (этиловый эфир, многие масла и спирты). Явление Керра объясняется анизотропией самих молекул. Количественная теория для газов была подробно развита Ланжевеном в 1910 году. Однако в его теории постоянная Керра была всегда положительна и притом не только для полностью изотропных молекул, но и для молекул с произвольным тензором поляризуемости. Этот недостаток был устранен в 1916 году Борном, который распространил ее на полярные молекулы со значительными постоянными дипольными моментами.

Литература

1. 
   Запасский В. С. КЕРРА ЭФФЕКТЫ // Большая российская энциклопедия. Электронная версия (2016); https://bigenc.ru/physics/text/2061749 Дата обращения: 09.11.2021
   
2. 
   Coelho, Roland. Physics of Dielectrics for the Engineer. — Elsevier, 2012. — P. 52.
   
3. 
   Dharmadhikari, A.K., Dharmadhikari, J.A. & Mathur, D. Visualization of focusing–refocusing cycles during filamentation in BaF2 . Appl. Phys. B 94, 259 (2009). https://doi.org/10.1007/s00340-008-3317-7
   
4. 
   Дж.В. Бимс. Книга «Успехи физических наук», статья «Двойное лучепреломление в электрическом и магнитном поле», том XIII, вып.2, стр.211-215.
   
5. 
   Britannica, The Editors of Encyclopaedia. "Kerr electro-optic effect". Encyclopedia Britannica, 26 Apr. 2017, https://www.britannica.com/science/Kerr-electro-optic-effect. Accessed 9 November 2021.
   
6. 
   Melnichuk, Mike; Wood, Lowell T. (2010). "Direct Kerr electro-optic effect in noncentrosymmetric materials". Phys. Rev. A. 82 (1): 013821. Bibcode:2010PhRvA..82a3821M. doi:10.1103/PhysRevA.82.013821