керра эффект

КЕРРА ЭФФЕКТ - название трёх явлений, два из к-рых (I и III) были открыты Дж. Керром (J. Кеrr) в 1875 (эл--оптич. К. э.) и в 1876 (магн--оптич. К. э.); после появления лазеров в сильных оптич. полях был замечен эффект, аналогичный эл--оптич. К. э., к-рый назвали оптич. К. э.

Электрооптический К. э.- квадратичный электро-оптич. эффект, возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах (газах, жидкостях, кристаллах с центром симметрии, стёклах) под действием внеш. однородного электрич. поля. Оптически изотропная среда, помещённая в электрич. поле, становится анизотропной, приобретает свойства одноосного кристалла (см. Кристаллооптика ),оптич. ось к-рого направлена вдоль поля.

Рис. 1. Схема наблюдения электрооптического эффекта Керра.

Регистрируется К. э. обычно по возникновению эллиптичности в проходящем через среду линейно поляризованном световом пучке. Между скрещенными поляризатором (II) (рис. 1) и анализатором (А)располагается Керра ячейка - плоский конденсатор, заполненный прозрачным изотропным веществом. Плоскость поляризации падающего на ячейку излучения составляет угол 45° с направлением поля. В отсутствие поля свет не проходит через анализатор. Индуцируемая электрич. полем оптич. анизотропия среды приводит к различию показателей преломления п_е и п_o необыкновенной и обыкновенной компонент пучка, поляризованных соответственно вдоль и поперёк поля. Имея разные скорости, эти компоненты по мере распространения через среду приобретают разность фаз и, складываясь на выходе из среды (см. Интерференция поляризованных лучей ),образуют эллиптически поляризованный свет, к-рый частично проходит через анализатор. О величине эффекта можно судить по интенсивности прошедшего через анализатор света, регистрируемой фотоприёмником ФП. Вводя компенсатор оптический перед анализатором, можно измерить разность фаз между обоими лучами и т. о. найти разность п_е-п_o. Величина фазового сдвига , индуцируемого электрич. полем при К. э., определяется выражением:

.

Здесь l - длина образца, Е - напряжённость электрич. поля, - длина волны света в вакууме, В-постоянная Керра. Постоянной Керра иногда также наз. величину (п - показатель преломления вещества в отсутствие поля), к-рая численно равна относит, разности показателей преломления (п_е-п_o)/п во внеш. электрич. поле единичной напряжённости. Постоянная Керра обладает дисперсией (обычно увеличивается при уменьшении ), может быть положительной и отрицательной, зависит от агрегатного состояния вещества, температуры и структуры молекул. Значения постоянных Керра для нек-рых газов и жидкостей приведены в табл.

Значения постоянных Керра некоторых газов и жидкостей (=589 нм)

Количеств. теория К. э. была дана П. Ланжевеном в 1910 для недипольных (неполярных) молекул и обобщена М. Борном в 1918 на случай дипольных (полярных) молекул. К. э. объясняется анизотропией поляризуемости молекул. Хаотич. расположение анизотропных молекул обусловливает макроскопич. изотропность среды в отсутствие поля. Внеш. электрич. поле индуцирует в молекуле дипольный момент, пропорциональный полю, но не совпадающий с ним по направлению из-за анизотропии поляризуемости молекулы. При взаимодействии пост. поля с индуцированным диполем возникает момент сил, стремящийся развернуть молекулу так, чтобы направление её макс. поляризуемости совпало с направлением поля. Ориентирующее действие поля и дезориентирующее действие теплового движения молекул приводят к установлению при заданной темп-ре определенной степени ориентации молекул, определяющей анизотропию оптич. свойств среды, т. е. величину К. э. Теория Ланжевена предсказывала положит. знак постоянной Керра для произвольного вида тензора поляризуемости молекулы. Борн теоретически описал К. э. для дипольных молекул, когда ориентирующее действие электрич. поля обусловлено его взаимодействием с пост. моментами молекул, направление к-рых не совпадает с направлением макс. оптич. поляризуемости. Вследствие этого постоянная Керра может быть как положительной, так и отрицательной (если направление макс. поляризуемости перпендикулярно направлению пост. момента).

Вышеупомянутый ориентационный механизм установления оптич. анизотропии среды применим к газам и в меньшей степени к жидкостям, где значит. роль начинают играть неучтённые в теории межмолекулярные взаимодействия. В случае сферически-симметричных молекул, а также в твёрдых телах, где ориентац. степени свободы молекул "заморожены", К: э. носит чисто поляризац. характер. Действие п о-ляризационного механизма сводится к тому, что исходно оптически изотропная молекула, поляризованная внеш. электрич. полем, обнаруживает различия в оптич. поляризуемостях в направлениях вдоль и поперёк поля. Фактически это уже нелинейный эффект взаимодействия поля с веществом (см. Нелинейная поляризация).

Строгое теоретич. рассмотрение К. э. может быть проведено лишь в рамках квантовой механики, согласно к-рой действие электрич. поля на среду сводится к изменению энергий и волновых ф-ций квантовых состояний, ответственных за её оптич. свойства. К. э. обладает чрезвычайно малой инерционностью: время релаксации ~10^-11-10^-12 с. Это нашло широкое применение при создании быстродействующих оптических затворов и модуляторов света, необходимых для лазерной техники и скоростной фотографии.

В твёрдых телах (кристаллах и стёклах) наряду с истинным К. э., обусловленным электрич. поляризацией диэлектрика, может наблюдаться также квадратичный эл--оптич. эффект, связанный с деформацией среды вследствие электрострикции. Этот ложный К. э. можно отличить от истинного по значительно большим временам релаксации.

Энергия взаимодействия анизотропной молекулы с электрич. полем (при комнатной темп-ре) в десятки тысяч раз меньше энергии теплового движения, поэтому степень выстраивания молекул в доступных электрич. полях оказывается чрезвычайно малой. В жидких кристаллах, где электрич. поле взаимодействует не с отд. молекулами, а с большими ориентированными группами молекул, энергия электростатич. взаимодействия уже при низких напряжённостях поля оказывается сопоставимой с энергией теплового движения и К. э. может достигать больших величин.

Оптический К. э. Чётность К. э. (зависимость лишь от чётных степеней Е)даёт возможность наблюдать постоянную составляющую эффекта и в перем. электрич. полях. Наиб. интересной реализацией этой возможности является регистрация К. э. в сильных (обычно лазерных) полях оптич. частоты - т. н. оптич. К. э. Ось (или для неполяризованного света плоскость) светоиндуцированной анизотропии среды при этом определяется направлением вектора напряжённости электрич. поля световой волны. Поэтому в экспериментах зондирующий световой пучок может быть направлен как вдоль луча накачки (при этом свет накачки должен быть линейно поляризован), так и перпендикулярно ему (накачка может быть неполяризована), а плоскость поляризации зондирующего пучка должна составлять угол 45° с направлением вектора напряжённости поля накачки. В высокочастотном поле пост. дипольные моменты не могут играть роли в возникновении анизотропии. В оптич. К. э. эффективными оказываются лишь поляризац. механизм и ориентац. механизм Лан-жевена, обусловленный ориентацией только индуцированных дипольных моментов. В одну половину периода, когда электрич. поле Е направлено в определ. сторону, индуцированные дипольные моменты создают моменты сил, стремящиеся приблизить оси наибольшей поляризуемости молекул к направлению Е. В следующую половину периода направления всех дипольных моментов инвертируются, но направления моментов сил сохраняются. В отличие от полярного вектора, у оси наибольшей поляризуемости оба её направления эквивалентны и эффекты ориентации молекулы в противоположные полупериоды светового поля складываются, несмотря на противоположные направления векторов Е.

В научных исследованиях К. э. применяется для измерений времён ориентационной релаксации молекул, для исследований поляризуемости молекул, для выявления их структуры, в экспериментах, требующих высокого временного разрешения.

Магнитооптический К. э.- один из эффектов магнитооптики, влияние намагниченности среды на интенсивность и поляризацию света, отражённого от её поверхности. Достаточную для измерения величину магни-тооптич. К. э. имеют вещества, обладающие большой намагниченностью и высоким коэф. поглощения, поэтому эффект наблюдается гл. обр. при отражении света от металлич. ферромагнетиков.

В зависимости от ориентации вектора намагниченности относительно отражающей поверхности и плоскости падения светового пучка различают три вида магнито-оптич. К. э.: полярный, меридиональный и экваториальный. При полярном эффекте вектор намагниченности j направлен перпендикулярно отражающей поверхности и параллельно плоскости падения (рис. 2, а), влияние намагниченности сводится к вращению плоскости поляризации и появлению эллиптичности отражённого от поверхности магнетика линейно поляризованного света. Аналогичные поляризац. проявления характерны для меридионального магни-тооптич. К. э., соответствующего расположению вектора намагниченности параллельно отражающей поверхности магнетика и плоскости падения светового пучка (рис. 2, б). Если плоскость поляризации падающего линейно поляризованного света составляет нек-рый угол с плоскостью падения (отличный от 0° и 90°), то оба эффекта проявляются также в линейных по намагниченности изменениях интенсивности отражённого света. Общим для полярного и меридионального эффектов является наличие не равной нулю проекции волнового вектора k световой волны на направление намагниченности среды j. Это обстоятельство определяет фено-менологич. сходство полярного и меридионального К. э. с Фарадея эффектом ,наблюдающимся при прохождении света через намагниченную среду вдоль направления намагниченности, и позволяет отнести их к продольным магнитооптич. эффектам.

Рис. 2. Магнитооптический эффект Керра: а - полярный, б - меридиональный, в - экваториальный; j - вектор намагниченности, k - волновой вектор.

Экваториальный магнитооптич. К. э. наблюдается при расположении вектора намагниченности перпендикулярно плоскости падения и параллельно плоскости отражения (рис. 2, в); проявляется в изменении интенсивности и фазового сдвига линейно поляризованного света, отражённого намагниченной средой. Отсутствие проекции волнового вектора на направление намагниченности среды объединяет экваториальный К. э. с др. поперечным магнитооптич. эффектом, наблюдающимся при прохождении света через намагниченную среду в направлении, перпендикулярном намагниченности,- Коттона - Мутона эффектом .,Однако, в отличие от квадратичного эффекта Коттона - Мутона, экваториальный К. э. является линейным по фазовым и амплитудным изменениям в отражённом свете в зависимости от намагниченности. Это позволяет использовать экваториально намагниченные зеркала в качестве невзаимных элементов оптич. устройств.

При изменении направления вектора намагниченности от поперечного (экваториального) к продольному (меридиональному) наблюдается также т. н. ориентационный магнитооптич. эффект, квадратичный по намагниченности, регистрируемый по изменению интенсивности отражённого света.

Этот эффект применяется при исследовании свойств и структуры магн. кристаллов в отражат. геометрии. Магнитооптич. К. э. тесно связан с др. эффектами магнитооптики и в общем виде может быть интерпретирован как результат воздействия магн. поля на ди-электрич. и магн. характеристики среды на оптич. частотах. В простейшем случае изотропной среды (или кубич. кристалла), помещённой в пост. магн. поле, эти свойства описываются антисимметричными тензорами диэлектрич. и магн. проницаемости:

где комплексные магнитооптич. параметры М и пропорциональны намагниченности среды и ответственны за её гиротропные свойства. В зависимости от того, каким из магнитооптич. параметров (М или ) обусловлена гиротропия среды; среда наз. соответственно гироэлектрической или гиромагнитной. При отличии от нуля обоих магнитооптич. параметров среду наз. биги-ротропной. В продольных геометриях К. э. параметры М и входят в величину эффекта аддитивно, что не позволяет с их помощью отличить гироэлектрич. среду от гиромагнитной. Разделение вкладов параметров М и в гиротропию среды возможно при использовании поперечного (экваториального) К. э.

Достаточно полно феноменологически магнитооптич. К. э. можно описать на основе классич. ур-ний Максвелла с учётом комплексного показателя преломления среды, характеризуемой приведёнными выше тензорами. Идентификация микроскопич. механизмов, объясняющих влияние намагниченности среды на её оптич. свойства, требует привлечения строгого квантовомеханич. подхода, учитывающего воздействие поля на энергетич. структуру и волновые функции зонных и локализованных электронных состояний магнетика.

Магнитооптич. К. э. широко применяется при исследованиях электронной структуры ферромагн. металлов и сплавов, доменной структуры ферромагнетиков, а также при изучении структуры поверхностного слоя полированного металла. Зависимость величины К. э. от оптич. характеристик прилегающей к поверхности маг-нетика среды позволяет во мн. случаях существенно повысить величину эффекта и контраст наблюдаемой картины нанесением на исследуемую поверхность тонкого слоя прозрачного диэлектрика.

Лит.: Волькенштейн М. В., Молекулярная оптика, М.- Л., 1951; Соколов А. В., Оптические свойства металлов, М., 1961; В о н с о в с к и й С. В., Магнетизм, М., 1971; Сивухин Д. Ф., Общий курс физики, 2 изд., [т. 4 ] - Оптика, М., 1985; Желудев И. С., Симметрия и её приложения, М., 1976; Кринчик Г. С., Физика магнитных явлений, 2 изд., М., 1985. В.С.Запасский.

   <<      Предметный указатель      >>