Самостоятельная работа по предмету:

Электрооптическими, магнитооптическими и пьезооптическими материалами называются такие материалы, в которых наблюдаются изменения оптических свойств под действием, соответственно, электрических и магнитных полей и механических напряжений. Причины этих изменений связаны с особенностями распространения электромагнитного излучения (света), проявляющимися в явлениях поляризации и двойного лучепреломления.

Электрооптические и магнитооптические явления

Мы уже знаем, что при помещении кристалла или вещества в ЭП происходит изменение оптической анизотропии — так называемый элек- трооптический эффект. Наиболее известный из них — линейный элек- трооптический эффект Поккелъса, который проявляется лишь в кристаллах без центров симметрии (или в так называемых пьезо- кристаллах, или в кристаллах с квадратичной нелинейностью среды). В этом случае справедлива формула (3.25). Сам эффект состоит в том, что под влиянием внешнего поля Е одноосный кристалл приобретает свойства двуосного, а изотропный кристалл - свойства либо одно- осного, либо двуосного кристалла (зависит от направления внешнего поля Е). Из 32 кристаллических классов сред квадратичной нелиней- ностью обладают всего 20. Наиболее распространёнными среди электрооптических материалов являются одноосные кристаллы дигидрофосфатов (относящиеся к кристаллографическому классу D₂a), к ним относятся NH₄H₂P0₄ (сокращенно называемые АДР), КН₂Р0₄ (КДР), ИД,Д₂Р0₄ (ДАДР), КД₂Р0₄ (ДКДР), ЯЬДР0₄ и др. При отсутствии внешнего поля оптическая индикатриса таких кристаллов — эллипсоид вращения с главными полуосями длиной п_н = в_н (по оптической оси х₃) и n₀ = V(e₀) (по осям Х и х₂). В случае приложения внешнего поля Е вдоль оптической оси х₃ эллипсоид вращения становится несимметричным относительно оси х₃, а его оси смещаются и поворачиваются. В этом случае можно принять значения компонент тензора диэлектрической проницаемости по повернутым осям х и х

и главные показатели преломления (теперь их будет три) принимают значения:

где го₃ = у/п⁴0 — основная электрооптическая постоянная применяемая в кристаллах класса D_2d.
Рассмотрим два случая поведение световой волны при прохож- де- нии через электрооптический кристалл:
1) при распространении света вдоль оси х₃, т.е. вдоль постоянного поля Е (к||Е ||лг₃) (продольный эффект Поккелъса), внутри кристалла распространяются две линейно-поляризованные волны с поляризациями ВДОЛЬ ОСИ х' (скорость ВОЛНЫ V| = C/n'i) и вдоль осих'₂ (скорость волны v₂ = = С/п'₂). Скорости этих волн на основе (3.47) и (3.48) можно представить в виде

В конце участка пути С разность фаз этих волн, с учетом того, что со/с= =2лIX, составит величину

2) при распространении света перпендикулярно к направлению поля {поперечный эффект Поккелъса), когда свет идет вдоль оси х'₂, в кристалле распространяются две волны, одна из которых поляри- зована по оси х (скорость ее = C/n'i), а вторая по осилг₃ (ее скорость v₃ = C/V(e_H) ~ С/п_н). В конце участка пути I разность фаз этих волн будет

Здесь первый член справа определяет сдвиг фаз за счет естественной анизотропии кристалла и двойного лучепреломления, а второй член вызван внешним полем.
Квадратичный электрооптический эффект Керра (он реже используется в оптоэлектронике, чем эффект Поккельса) проявляется в центросимметричных кристаллах, жидкостях и газах (т.е. в средах с кубической нелинейностью среды). Этот эффект особенно заметен в кристаллах группы перовскитов в параэлектрической фазе (при Т_к = 283 К), титаната бария ВаТЮ₃ {Т_к = 393 К) и титаната калия КТЮ₃ (Т_к= 1 К), причем у всех этих кристаллов в_отн * 10⁴. Такие кристаллы оптически изотропны и обладают центром симметрии, но при при- ложении внешнего поля Е они становятся одноосными с оптической осью, параллельной направлению поля, так что главные значения тензора диэлектрической проницаемости при этом имеют вид

Принимая уЕ² « в_ь получаем

В этом случае к обыкновенной волне, которая распространялась в среде до включения поля, вместе с полем появляется еще и необыкновенная волна, скорость которой определяется подстановкой в выражение (3.44) соотношения (3.57) для п₀ и п„. При этом, когда угол 0 в (3.44) между направлением вектора к волны и полем Е равен 0 = 71/2, из (3.53) и (3.44) следует

Если положить, что свет, идущий перпендикулярно полю Е, прошел путь С, получим разность фаз обыкновенной и необыкновенной волны в виде

где В = у/(2п₀А.) называется постоянной Керра. Таким образом, в этом случае Лф ~ Е², а не Лф ~ Е, как в случае эффекта Поккельса, поэтому он и называется квадратичным электрооптическим эффектом. Кроме упомянутых кристаллов, эффект Керра наблюдается в таких жид- костях как нитробензол, имеющий наибольшую для жидкостей постоянную Керра, сероуглерод и др.
Быстродействие эффектов Керра и Поккельса составляет вели- чину порядка 10“⁸ с. Из «Технической электродинамики» мы знаем, что управляемый полем сдвиг фаз между обыкновенной и необыкновенной волнами дает вращение плоскости поляризации суммарного луча, и это вращение широко используется для создания модуляторов и коммутаторов света.
Если постоянное ЭП является результатом детектирования световой волны, то наблюдаемый сдвиг фаз обыкновенной и необык- новенной волн называется оптическим эффектом Керра, который также дает поворот плоскости поляризации волны.
Известно, что в ряде анизотропных парамагнитных веществ при больших внешних постоянных МП Н, приложенных перпендикулярно направлению светового луча, также наблюдается явление двойного лучепреломления, которое, как и в случае эффекта Керра, согласно формулы (3.55), подчиняется квадратичной зависимости Аср ~ Н². Этот эффект двойного лучепреломления в МП, называют эффектом Коттона-Мутона, однако он не нашел широкого применения в оптоэлектронике из-за его малости (в нитробензоле при Н = 20000 эрстед, С = 8 см, Дф * 3°).
Ещё один магнитооптический эффект, эффект Фарадея, состоящий во вращении плоскости поляризации света в продольном МП, нашел реальное применение. Суть его в том, что если диэлектрик с магнитной анизотропией (феррит) поместить в постоянное МП и перпендикулярно ему приложить переменное МП, поляризованное по кругу (например, пустить вдоль постоянного поля волну с круговой поляризацией), то магнитная проницаемость феррита по отношению к этому переменному полю Ротн будет различной в зависимости от направления вращения переменного поля. Если в такой среде распространяется линейно-поляризованная волна, которую можно разложить на две составляющие, поляризованные по кругу в разные стороны с разными ц_охн, и так как фазовые скорости волны v,j, ~ (Цотн)^-1/2> ^{т0 эти} поляризованные по кругу волны будут иметь разные фазовые скорости, что приведет по мере их движения к повороту плоскости поляризации суммарной линейно-поляризованной волны. Этот поворот и называется эффектом Фарадея. При этом угол поворота плоскости поляризации при длине С образца в поле Н равен

где С„ - постоянная Верде, которая максимальна у трехбромистого хрома (СгВг₃; С_н = 27 град/Э см) и у железо-иттриевого граната (Y₃Fe₅0₁₂; С_н = 5/Э).
Таким образом, электрооптические эффекты позволяют:

• 
  — менять фазу одной или двух волн путем вариации внешнего поля Е
  
• 
  — управлять показателем преломления п одной или двух волн при вариации внешнего поля Е, что дает возможность менять направ- ление луча преломленного света изменением поля Е
  
• 
  — изменять полем Е сдвиг фаз между двумя волнами, что позволяет менять характер поляризации (при Дер = ж 12 получается круговая поляризация) или направление поляризации (при Дф = ж плоскость поляризации поворачивается на ж!2). Последнее свойство электрооптического эффекта поясняет рис. 3.19.