Электрооптический и магнитооптический эффекты

Анизотропия оптических свойств может быть создана искусственно, если в изотропном веществе путем какого-либо внешнего воздействия создать физически выделенное направление. Можно, например, создать в образце механические напряжения, прикладывая внешнюю силу, и тогда в результате эффекта фотоупругости образец приобретет анизотропные свойства. В технике связи наибольшее значение имеют электрооптический и магнитооптический эффекты, когда анизотропные свойства возникают в результате воздействия соответственно электрического и магнитного полей.

Электрооптический эффект

Электрооптический эффект имеет две разновидности: квадратичный (эффект Керра) и линейный (эффект Поккельса). Квадратичный эффект был открыт Керром в 1875 г. Если изотропное вещество поместить во внешнее электрическое поле, то оно приобретает свойства одноосного анизотропного кристалла, оптическая ось которого направлена вдоль напряженности электрического поля. При этом для -луча показатель преломления остается таким же, как и в отсутствие поля, а для необыкновенного луча показатель преломления оказывается зависящим от квадрата напряженности поля (откуда и название "квадратичный эффект"):

, (69.1)

где – константа Керра, зависящая от природы вещества, температуры и длины волны. Если через такое вещество перпендикулярно оптической оси пропустить линейно-поляризованный свет, то он разделится на - и -лучи, которые на выходе приобретут разность фаз

, (69.2)

где – толщина образца. Эффект Керра наблюдается в газообразных, жидких, аморфных веществах и в некоторых кристаллах. Наибольшие значения константы Керра – у жидких нитробензола и сероуглерода.

Эффект Поккельса наблюдается в кристаллах, которые обладают естественной анизотропией. На практике часто используется кристалл дигидрофосфата калия (кристалл ), который является одноосным кристаллом. При приложении внешнего электрического поля вдоль оптической оси кристалла он становится двухосным. В зависимости от направления распространения света различают продольный и поперечный эффекты Поккельса. В случае продольного эффекта свет идет вдоль линий напряженности электрического поля (т. е. вдоль оптической оси кристалла). При этом в кристалле распространяются два луча (оба необыкновенные) с перпендикулярными плоскостями поляризации, для которых показатели преломления соответственно и , где – электрооптическая постоянная среды. Если обозначить толщину кристалла по ходу луча , то на выходе из него лучи приобретут разность фаз

, (69.3)

которая линейно зависит от напряженности поля.

В случае поперечного эффекта Поккельса свет идет перпендикулярно линиям напряженности электрического поля. При этом разность фаз также пропорциональна напряженности поля, однако возникает добавка, обусловленная естественной анизотропией кристалла:

. (69.4)

Эффекты Керра и Поккельса используются в электрооптических модуляторах света (рис. 69.1). Для этого на боковых поверхностях кристалла 1 наносят электроды 2, на которые подают управляющее напряжение . Через модулятор пропускают линейно-поляризованный свет. После кристалла свет становится в общем случае эллиптически-поляризованным и пространственное положение осей эллипса зависит от разности фаз , т. е. от управляющего напряжения. Поставив на выходе модулятора анализатор 3 и изменяя управляющее напряжение , получим амплитудную модуляцию света. В случае продольного эффекта Поккельса электроды делаются полупрозрачными. Как следует из выражения (69.3), разность фаз в модуляторе на основе продольного эффекта Поккельса пропорциональна напряжению и не зависит от толщины кристалла. Важным параметром электрооптического модулятора является полуволновое напряжение , при котором разность хода равна половине длины волны и соответственно разность фаз . Поскольку электрооптическая константа имеет малую величину, то для этого требуется сильное электрическое поле. При модуляции широких лазерных пучков (диаметром порядка 1 см) требуемая напряженность электрического поля достигается при высоком управляющем напряжении, и полуволновое напряжение может составлять десятки, сотни и даже тысячи вольт. Это является определенным недостатком, так как требует применения высоковольтной аппаратуры для управления модулятором. В волоконно-оптических линиях связи поперечные размеры лазерного пучка значительно меньше (порядка 10 мкм), поэтому управляющие напряжения составляют несколько вольт.

Электрооптические эффекты Керра и Поккельса обладают высоким быстродействием ( с), что позволяет делать на их основе широкополосные модуляторы ( Гц), применяемые в оптических линиях связи и интегральной оптике. Эффекты Керра и Поккельса используются также для создания электрооптических дефлекторов (устройства отклонения луча) и переключателей.

Магнитооптический эффект (эффект Фарадея)

Анизотропия оптических свойств может быть вызвана воздействием на вещество внешнего магнитного поля (магнитооптический эффект). Если вещество поместить в однородное магнитное поле с напряженностью и пропустить вдоль линий напряженности линейно-поляризованное излучение, то на выходе из вещества плоскость поляризации окажется повернутой на угол :

, (69.5)

где – расстояние, проходимое светом в веществе; – константа Верде, характеризующая магнитооптические свойства вещества. Этот эффект был открыт Фарадеем в 1846 г. и носит его имя.

Эффект Фарадея объясняется тем, что в результате воздействия магнитного поля вещество приобретает анизотропные свойства: волны с правой и левой круговыми поляризациями при распространении в веществе вдоль магнитного поля имеют различную скорость, т. е. показатели преломления для левой и правой поляризаций оказываются разными. Поскольку линейно-поляризованный свет можно представить в виде суперпозиции двух волн с левой и правой круговыми поляризациями, то эти волны, приходя через вещество, приобретают разность хода и на выходе из вещества вновь дают линейно-поляризованный свет, у которого плоскость поляризации повернута на угол . Направление поворота плоскости поляризации зависит от свойств вещества и направления вектора напряженности магнитного поля, но не зависит от направления распространения света, т. е. при прямом и обратном ходе луча плоскость поляризации будет поворачиваться в одну сторону.

Эта особенность магнитооптического эффекта используется для создания оптических вентилей (невзаимных элементов), которые обладают свойством пропускать свет только в одном направлении. Оптический вентиль состоит из поляризатора 1, магнитоактивного элемента 2, помещенного внутрь катушки соленоида 3, и анализатора 4 (рис. 69.2). Плоскость пропускания поляризатора 1 совпадает с плоскостью поляризации прямого излучения. Длину магнитоактивного элемента и напряженность поля соленоида подбирают таким образом, чтобы плоскость поляризации излучения, идущего в прямом направлении, показанном стрелкой, поворачивалась на и совпадала с плоскостью пропускания анализатора 4. Для света, идущего в обратном направлении, плоскость поляризации поворачивается на в ту же сторону, что и в прямом ходе. В результате плоскость поляризации обратного излучения оказывается перпендикулярной к плоскости пропускания поляризатора 1, и встречное излучение не проходит через оптический вентиль.

Оптические вентили используются в оптических линиях связи, кольцевых лазерах и других оптических системах, когда необходимо подавить паразитное влияние отраженного излучения (оптическая развязка). Подобного рода устройства на основе ферритов широко используются в СВЧ-технике, в частности в передающих и приемных устройствах систем радиосвязи.