Общая характеристика эффекта Керра
Эффект Керра представляет собой явление изменения показателя преломления вещества под действием внешнего электрического поля. При прохождении света через вещество, помещённое в сильное электрическое поле, возникает анизотропия оптических свойств — вещество начинает вести себя как двулучепреломляющая среда. Это приводит к изменению фазового фронта распространяющегося света, в частности — к возникновению эллиптической поляризации при первоначально линейной.
Эффект Керра относится к нелинейным оптическим эффектам, поскольку зависимость изменения показателя преломления от напряжённости электрического поля имеет квадратичный характер. Он широко используется в модуляторах света, оптических затворах и устройствах для генерации сверхкоротких лазерных импульсов.
Пусть вещество характеризуется диэлектрической проницаемостью, зависящей от внешнего электрического поля. В случае эффекта Керра можно записать:
n(E) = n0 + n2E2,
где
Возникновение эффекта связано с поляризацией молекул среды и с их способностью изменять ориентацию под действием поля, особенно в жидкостях. С позиций квантовой теории, это можно описать через индукцию дипольного момента и взаимодействие с переходными состояниями молекул, обладающих различной поляризуемостью.
Если свет с линейной поляризацией проходит через вещество, в которое приложено электрическое поле E⃗, перпендикулярное направлению распространения света, то поле индуцирует анизотропию: возникают быстрая и медленная оси. Разность показателей преломления вдоль этих осей определяется как:
Δn = n∥ − n⟂ = K ⋅ λ ⋅ E2,
где
Таким образом, степень двулучепреломления пропорциональна квадрату электрического поля, что делает эффект Керра удобным для управления светом с помощью поля.
Для наблюдения эффекта Керра используют ячейку Керра — прозрачную кювету, заполненную Kerr-активной жидкостью (например, нитробензолом), с электродами, между которыми создаётся сильное электрическое поле. Через кювету пропускают свет с линейной поляризацией, а выходной сигнал анализируется при помощи поляризатора и фотодетектора.
Часто эксперимент проводят в следующей конфигурации:
При отсутствии поля свет не проходит через анализатор, так как поляризация не меняется. При включении поля возникает эллиптическая поляризация и наблюдается выходной сигнал, пропорциональный sin2(δ/2), где δ — фазовая разность, вызванная двулучепреломлением:
$$ \delta = \frac{2\pi}{\lambda} \cdot \Delta n \cdot l = \frac{2\pi}{\lambda} \cdot K \lambda E^2 l = 2\pi K l E^2, $$
где l — длина ячейки.
1. Kerr-модуляторы света Используются для амплитудной и фазовой модуляции света. Высокая скорость отклика позволяет применять их в системах оптической передачи данных.
2. Генерация сверхкоротких импульсов В лазерной физике эффект Керра используется для самофокусировки и самомодуляции фазы, что позволяет формировать импульсы длительностью фемтосекунды.
3. Kerr-затворы Принцип действия Kerr-затвора основан на изменении поляризации света при включении поля, что позволяет управлять прохождением света через анализатор. Такие затворы используются в высокоскоростной фотометрии и оптической микроскопии.
4. Kerr-линзы В нелинейных лазерах (например, Ti:Sa) используется Kerr-эффект для создания переменной фокусировки в резонаторе — так называемая Kerr-линза. Это позволяет реализовать механизм самозапирания лазерного импульса.
1. Электрооптический эффект Поккельса В отличие от Керра, эффект Поккельса — линейный по электрическому полю. Он наблюдается только в кристаллах без центра инверсии, тогда как эффект Керра возможен в изотропных средах, включая жидкости и газы.
2. Термооптические эффекты Иногда эффекты, похожие на Kerr-двулучепреломление, могут возникать из-за теплового воздействия, но они медленнее и не обратимы мгновенно.
3. Нелинейное рассеяние и самофокусировка Эффект Керра является основой для описания таких нелинейных явлений, как самофокусировка пучка в среде, солитоны, филаментация и сдвиг спектра.
Для экспериментов с эффектом Керра часто используют жидкости с высокой молекулярной поляризуемостью, такие как:
Постоянная Керра K может варьироваться от 10−14 до 10−10 м/В² в зависимости от вещества. На практике для заметного эффекта требуются поля порядка 105–107 В/м.
n = n0 + n2I,
где I — интенсивность света, n2 — нелинейный коэффициент (интенсивностный аналог n2 из поля).
Эффект Керра является краеугольным камнем современной нелинейной оптики, обладая богатой физической природой и широчайшим спектром применений — от классических оптических устройств до ультрабыстрой фотоники.