Ефект Керра. або квадратичний електрооптичний ефект - явище зміни значення показника заломлення оптичного матеріалу пропорційно квадрату напруженості прикладеного електричного поля. Відрізняється від ефекту Поккельса тим, що зміна показника прямо пропорційно квадрату електричного поля, в той час як останній змінюється лінійно. Ефект Керра може спостерігатися у всіх речовинах, проте деякі рідини виявляють його сильніше інших речовин. Відкрито в 1875 році шотландським фізиком Джоном Керром.
У сильних полях спостерігаються невеликі відхилення від закону Керра.
Електрооптичний ефект Керра
якісне опис
Під впливом зовнішнього постійного або змінного електричного поля в середовищі може спостерігатися подвійне променезаломлення. внаслідок зміни поляризації речовини. Нехай коефіцієнт заломлення для звичайного променя дорівнює n o>. а для незвичайного - n e>. Розкладемо різницю коефіцієнтів заломлення n o - n e -n_>. як функцію зовнішнього поля E. за ступенями E. Якщо до накладення поля середовище було неполяризована і ізотропної. то n o - n e -n_> має бути парною функцією E (при зміні напрямку поля ефект не повинен міняти знак). Значить, в розкладанні за ступенями E повинні бути присутніми члени лише парних порядків, починаючи з E 2>. У слабких полях членами вищих порядків можна знехтувати, в результаті чого
Ефект Керра обумовлений, головним чином, гіперполярізуемостью середовища, яка відбувається в результаті деформації електронних орбіталей атомів або молекул або внаслідок переорієнтації останніх. Оптичний ефект Керра виявляється дуже швидким - від сотень фемтосекунд до декількох наносекунд (10 - 13> - 10 - 9> с), - так як в твердих тілах може статися тільки деформація електронної хмари атома.
де λ 0> - довжина хвилі світла у вакуумі; b - постійна Керра, що залежить від природи речовини, довжини хвилі λ 0> і температури. Постійної Керра також називають величину K = b λ 0 / n. / N,> де n - показник заломлення під час відсутності E [1].
Для більшості речовин b> 0. що означає їх подібність оптично позитивним одноосьовим кристалів.
кількісна теорія
Кількісна теорія для газів була побудована Ланжевеном в 1910 році.
Параметром речовини, який характеризує можливість спостереження в даній речовині ефекту Керра, є сприйнятливість третього порядку. оскільки ефект пропорційний напруженості електричного поля в третього ступеня (в наведеному вище рівняння третього електричне поле - поле світлової хвилі).
застосування
Електрооптичний ефект використовується в оптоволоконних технологіях для електричної модуляції пропускаемости оптичних сигналів.
Існує можливість реалізації швидкої синхронізації мод в лазері. яка заснована на ефекті Керра. Нехай інтенсивність пучка в керровской середовищі має поперечне (наприклад, гауссово) розподіл інтенсивності. Отже, інтенсивність в центрі пучка буде більше, ніж в хвостах, відповідно до формули: n = n o + n 2 I + n_I>. і тому виникає нелінійна зміна показника заломлення δ n. У першому порядку по (r / w) 2> зсув фази може бути описаний параболічної функцією параметра r / w. що еквівалентно появі сферичної лінзи в середовищі Керра. Чим більше інтенсивність пучка, тим сильніше він буде фокусуватися, і як наслідок, відчувати менші втрати. Якщо ці втрати правильно розподілити всередині резонатора, можна отримати пасивну синхронізацію мод.