Электрооптический эффект

Анизотропия при деформации

В твердых телах под действием упругих механических напряжений изменяется показатель преломления вещества. Этот явление называется фотоупругостью, а связанные с ним эффекты – фотоупругими эффектами. Частным случаем такого эффекта является акустооптический эффект, возникающий под действием акустических механических воздействий на вещество. Линейный фотоупругий эффект заключается в том, что показатель преломления среды изменяется пропорционально механической деформации. Линейный фотоупругий эффект проявляется во всех кристаллах и аморфных средах. В частности, он заметно проявляется в стеклах, плавленом кварце, кремнии и германии. Под действием одномерной деформации (сжатие или растяжение) изотропная среда становится анизотропной, одноосной с оптической осью Z и совпадающей с направлением механической деформации (рис. 1).

Рис.1. Искусственная анизотропия: а – фотоупругая; б – электрооптическая

При распространении света в плоскости, перпендикулярной наведенной оптической оси, наблюдается двулучепреломление. Экспериментально установлена следующая связь между показателями преломления необыкновенной и обыкновенной волн в направлении, перпендикулярном оптической оси.

, (1)

где b – постоянная, характеризующая свойства вещества; F – приложенная сила; S – поперечное сечение тела. Разность может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

При воздействии деформаций общего типа на среду или устройства ВОСП, например изгиб ОВ, их диэлектрическая проницаемость или показатель преломления приобретают тензорный характер.

С использованием фотоупругого эффекта разработаны ответвители оптической мощности, акустооптические модуляторы света, микрофоны устройства коррекции поляризации и др.

Электрооптический эффект

Изотропное тело, подвергнутое упругим деформациям, может стать анизотропным и изменить состояние поляризации проходящего света. Это явление, открытое в 1818 г. Брюстером, получило название фотоупругости или пьезооптического эффекта (рис.2). При одностороннем растяжении или сжатии тело становится подобным одноосному кристаллу с оптической осью, параллельной направлению приложенной силы. Возникающая при этом разность фаз пропорциональна механическим напряжениям s: . Помещая прозрачные фотоупругие модели между поляризатором и анализатором и подвергая их различным нагрузкам, можно изучать распределения возникающих внутренних напряжений.

В 1875 г. был открыт электрооптический эффект Керра, состоящий в возникновении в изотропном теле одноосной анизотропии при наложении постоянного электрического поля (рис. 3). Оптическая ось соответствует направлению напряженности приложенного поля, а величина двулучепреломления пропорциональна квадрату напряженности: . На основе ячеек Керра построены практически безынерционные затворы и модуляторы света со временем срабатывания до 10^-12 с. Объясняется эффект Керра анизотропией молекул, описываемой тензором поляризуемости. При наложении внешнего поля молекулы ориентируются вдоль поля осями наибольшей поляризуемости, что и приводит к различным условиям для распространения света ортогональных поляризаций. Большим значением постоянной Керра обладает нитробензол, который часто используется в технических приложениях. Так для конденсатора длиной 5 см и расстоянием между пластинами 1 мм при напряжении 1500 В разность фаз достигает p/2, т. е. ячейка Керра работает как четвертьволновая пластинка. В двупреломляющих кристаллах без центра симметрии наблюдается другой вариант электрооптического эффекта – эффект Поккельса, при котором разность показателей преломления Dn линейно зависит от напряженности электрического поля.