Электрооптические материалы

Электрооптический эффект представляет собой явление изменения показателя преломления материалов под действием электрического поля. Различают два вида электрооптического эффекта: квадратичный электрооптический эффект, или эффект Керра (открыт шотландским физиком Д. Керром в 1875 г.) и линейный электрооптический эффект, или эффект Поккельса (изучен немецким физиком Ф. Поккельсом в 1893 г.).

Эффект Керра состоит в том, что многие изотропные среды под воздействием электрического поля становятся оптически анизотропными с оптической осью, ориентированной вдоль направления поля. При этом разность показателей преломления n_o и n_e изменяется пропорционально квадрату напряженности электрического поля Е:

∆n = n_e – n_o = KЕ²,

где K – коэффициент, зависящий от свойств данной среды, а также от длины волны излучения и температуры (постоянная Керра).

Эффект Керра имеет место в центросимметричных кристаллах, а также в жидкостях и газах. Его можно наблюдать в ячейке Керра – устройстве, состоящем из плоского конденсатора, заполненного исследуемым веществом (жидкостью) и размещенным между двумя поляризаторами. Если поляризаторы скрещены, то в отсутствие электрического поля свет через ячейку Керра не проходит. При наложении поля между пластинками конденсатора жидкость становится анизотропной и свет, прошедший через кювету, поворачивает плоскость поляризации, так что система становится прозрачной. Таким образом, с помощью ячейки Керра можно управлять параметрами светового излучения путем варьирования потенциалом электродов конденсатора, помещенного в ячейку (рис. 1).

Рис. 1. Ячейка Керра

Эффект Керра обладает чрезвычайно малой инерционностью, благодаря чему он широко используется при создании быстродействующих (время срабатывания до 10^-12 с) оптических модуляторов и затворов света, необходимых для лазерной техники и скоростной фотографии.

Эффект Поккельса состоит в изменении двойного лучепреломления в кристаллах под действием внешнего электрического поля. При этом разность показателей преломления n_o и n_e изменяется пропорционально напряженности электрического поля Е (в отличие от эффекта Керра, где показатели преломления пропорциональны квадрату напряженности):

∆n = n_e – n_o = kЕ,

где k – коэффициент пропорциональности.

Этот эффект может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии (в кристаллах пьезоэлектриков): в силу линейности при изменении направления внешнего электрического поля эффект должен менять знак, что невозможно в центросимметричных кристаллах, для которых оба взаимно противоположных направления поля физически совершенно эквивалентны.

Эффект Поккельса так же безынерционен, как и эффект Керра, поэтому он, наряду с эффектом Керра, применяется при создании быстродействующих (время срабатывания до 10^-12 с) оптических модуляторов и затворов света. Соответствующее устройство называется ячейкой Поккельса, которая по принципу действия подобна ячейке Керра.

Среди материалов с квадратичным электрооптическим эффектом наибольшее использование получили кристаллы группы дигидрофосфата калия КН₂РО₄ и кристаллы группы перовскитов (титанат бария BaTiO₃ и твердые растворы на его основе). Наиболее распространенными материалами с линейным электрооптическим эффектом являются кристаллы группы дигидрофосфата калия КН₂РО₄ и кристаллы ниобата лития LiNbO₃.

В качестве электрооптического материала применяют также оптически прозрачную сегнетокерамику. Так, керамика на основе титаната-цирконата свинца Pb(Zr_xTi_1-x)O₃ в сегнетоэлектрической фазе проявляет линейный электрооптический эффект, а в параэлектрической фазе вблизи точки Кюри – квадратичный эффект.

К жидкостям, проявляющим значительный квадратичный электрооптический эффект, относятся нитробензол, хлорбензол, сероуглерод, хлороформ, этиловый спирт, ацетон и др.