Эффект Керра

Эффект Керра, или квадратичный электрооптический эффект — явление изменения значения показателя преломления оптического материала пропорционально второй степени напряженности приложенного электрического поля.

В сильных полях наблюдаются небольшие отклонения от закона Керра.

Эффект Керра был открыт в 1875 году шотландским физиком Джоном Керром (англ.).

Качественное описание

Под воздействием внешнего постоянного или переменного электрического поля в среде может наблюдаться двойное лучепреломление, вследствие изменения поляризации вещества. Пусть коэффициент преломления для обыкновенного луча равен $n_o$, а для необыкновенного — $n_e$. Разложим разность коэффициентов преломления $n_o-n_e$, как функцию внешнего поля $E$, по степеням $E$. Если до наложения поля среда была неполяризованной и изотропной, то $n_o-n_e$ должно быть чётной функцией $E$ (при изменении направления поля эффект не должен менять знак). Значит, в разложении по степеням $E$ должны присутствовать члены лишь чётных порядков, начиная с $E^2$. В слабых полях членами высших порядков можно пренебречь, в результате чего

$n_e-n_o = k \vec{E}^2.$

Эффект Керра обусловлен, главным образом, гиперполяризуемостью среды, происходящей в результате деформации электронных орбиталей атомов или молекул или вследствие переориентации последних. Оптический эффект Керра оказывается очень быстрым, так как в твёрдых телах может произойти только деформация электронного облака атома.

Закон Керра

$n_e-n_o=b\lambda_0 E^2,$

где $\lambda_0$ — длина волны света в вакууме; $b$ — постоянная Керра, зависящая от природы вещества, длины волны $\lambda_0$ и температуры. Постоянной Керра также называют величину $K = b\lambda_0 / n,$ где n — показатель преломления в отсутствие E.^[1]

Для большинства веществ $b>0$, что означает их подобие оптически положительным одноосным кристаллам.

Количественная теория

Количественная теория для газов была построена Ланжевеном в 1910 году.

Параметром вещества, который характеризует возможность наблюдения в данном веществе эффекта Керра, является восприимчивость третьего порядка, поскольку эффект пропорционален напряжённости электрического поля в третьей степени (в приведённом выше уравнении третье электрическое поле — поле световой волны).

Синхронизация мод

Существует возможность реализации быстрой синхронизации мод в лазере, которая основана на эффекте Керра. Пусть интенсивность пучка в керровской среде имеет поперечное (например, гауссово) распределение интенсивности. Следовательно, интенсивность в центре пучка будет больше, чем в хвостах, в соответствии с формулой: $n=n_o+n_2 I$, и поэтому возникает нелинейное изменение показателя преломления $\delta n$. В первом порядке по $(r/w)^2$ сдвиг фазы может быть описан параболической функцией параметра $r/w$, что эквивалентно появлению сферической линзы в среде Керра. Чем больше интенсивность пучка, тем сильнее он будет фокусироваться, и как следствие, испытывать меньшие потери. Если эти потери правильно распределить внутри резонатора, можно получить пассивную синхронизацию мод.

Применение

Электрооптический эффект используется в оптоволоконных технологиях для электрической модуляции пропускаемости оптических сигналов.

См. также

• Ячейка Керра
• Эффект Поккельса
• Эффект Фарадея
• Фазовая самомодуляция
• Нелинейная оптика

Примечания

1. ↑ Эффект Керра — статья из Физической энциклопедии

Литература

• Прохоров А.М. Физический Энциклопедический Словарь. — Советская энциклопедия, 1983. — С. 280. — 928 с.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.. — Т. IV. Оптика.
• Звелто О. Принципы лазеров. — Лань, 2008. — С. 404. — 719 с.

Ссылки

• Ю. Е. Светлов Керра эффект // БСЭ
• Описание эффекта Керра в физической энциклопедии
• Теоретическое описание эффекта Керра в лабораторной работе
• Описание работы Керра, описание эффекта Керра и прочих эффектов

У этой статьи нет иллюстраций. Вы можете помочь проекту, добавив их (с соблюдением правил использования изображений). Для поиска иллюстраций можно: попробовать воспользоваться инструментом FIST: нажмите эту ссылку, чтобы начать поиск; попытаться найти изображение на Викискладе; просмотреть иноязычные варианты статьи (если они есть); см. также Википедия:Источники изображений.