Классификация электрооптических эффектов
Электрооптическими эффектами называют явления изменения оптических свойств вещества под действием внешнего электрического поля. Эти изменения проявляются в изменении показателя преломления, двулучепреломления, коэффициента поглощения, поляризации или фазового сдвига проходящей электромагнитной волны. По физической природе и характеру зависимости от напряженности электрического поля различают:
Линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса)
Эффект проявляется в кристаллах, не обладающих центром инверсии, что обусловлено симметрийными ограничениями тензора электрооптических коэффициентов. Под действием электрического поля E показатель преломления изменяется по закону:
$$ \Delta\left( \frac{1}{n^2} \right) = \sum_{i,j} r_{ij} E_j $$
где rij — компоненты электрооптического тензора второго ранга, зависящие от кристаллографической системы.
В большинстве кристаллов эффект Поккельса приводит к индуцированному двулучепреломлению: свет, проходящий через образец, разделяется на два поляризационных компонента с различными фазовыми скоростями. Это свойство используется для создания электрооптических модуляторов, фазовых пластин с управляемой задержкой и пространственных световых модуляторов.
Особое значение имеют кристаллы LiNbO3, LiTaO3, KDP (дигидрофосфат калия), в которых эффект выражен особенно сильно.
Квадратичный электрооптический эффект (эффект Керра)
Эффект Керра наблюдается в изотропных средах (жидкостях, газах, аморфных твердых телах) и в кристаллах, обладающих центром инверсии. Изменение показателя преломления определяется формулой:
Δn = λBE2
где B — постоянная Керра, λ — длина волны света, E — напряженность поля.
В отличие от эффекта Поккельса, индуцированное двулучепреломление здесь квадратично по полю, а ось анизотропии совпадает с направлением электрического поля. Яркий пример — Kerr-ячейка, где прозрачная жидкость (например, нитробензол) помещена между электродами, и под действием электрического поля возникает управляемое изменение фазы и поляризации света.
Электрогирационные эффекты
В ряде кристаллов электрическое поле способно изменять оптическую активность — способность вращать плоскость поляризации линейно поляризованного света. Эти эффекты описываются введением дополнительного члена в тензор гиротропии, линейно или квадратично зависящего от E. Применяются для создания электроуправляемых поляризаторов и устройств оптической обработки сигналов.
Электроабсорбционные эффекты
Под действием электрического поля в полупроводниках и сегнетоэлектриках изменяется коэффициент поглощения света. Основные механизмы:
Эти эффекты лежат в основе работы электроабсорбционных модуляторов, используемых в системах волоконно-оптической связи на скоростях десятков и сотен гигабит в секунду.
Математическое описание электрооптических эффектов через тензоры
Общая теория описывает изменение диэлектрической проницаемости под действием поля в виде разложения:
Δεij = ∑kβijkEk + ∑k, lγijklEkEl + …
где βijk — тензор линейного электрооптического эффекта, γijkl — тензор квадратичного эффекта. Симметрийные свойства кристалла накладывают жесткие ограничения на количество независимых компонент этих тензоров.
Роль симметрии и кристаллографической группы
Линейный эффект возможен только в кристаллах, относящихся к 20 из 32 точечных кристаллографических групп. Квадратичный эффект в принципе возможен в любых средах. В сегнетоэлектриках, где существует спонтанная поляризация, линейный эффект может быть значительно усилен за счет взаимодействия электрического поля с доменной структурой.
Применения электрооптических эффектов