Эффект Поккельса. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Эффект Поккельса - линейный электрооптич. эффект, состоящий в изменении показателей преломления света в кристаллах под действием внеш. электрич. поля пропорционально напряжённости электрич. поля Е. Следствием этого эффекта в кристаллах является двойное лучепреломление или изменение величины уже имеющегося двулучепреломления.

П. э. был впервые изучен Ф. Поккельсом (F. Ро-ckels) в 1893. Квадратичный и др. эффекты более высокого порядка много меньше П. э., однако в центро-симметричных средах П. э. обращается в нуль и осн. роль играет квадратичный Керра эффект.

Математически П. э. описывается изменением оптич. индикатрисы, кристалла (см. Кристаллооптика)- эллипсоида показателей преломления, к-рый в главной кристаллофиз. системе координат имеет вид

Здесь

- гл. оси кристалла, т. е. направления, вдоль к-рых векторы электрич. поля Е и электрич. индукции D параллельны друг другу,

показатели преломления

для света, поляризованного вдоль осей х, у и z соответственно. Величины показателей преломления определяются распределением зарядов внутри кристалла. Наложение внеш. электрпч. поля, малого по сравнению с внутр. полем кристалла, приводит к перераспределению связанных зарядов и небольшой деформации ионной решётки, что сопровождается изменением показателей преломления и, следовательно, коэф. эллипсоида

Гл. оси нового эллипсоида в общем случае не будут совпадать с исходными гл. осями, ур-ние эллипсоида примет вид:

В П. э., как эффекте линейном, рассматривается только линейная по полю Е часть изменения коэф. эллипсоида, поэтому

где k = 1, 2...6;

- 0. Коэф.

наз. постоянными Поккельса и определяют величину П. э. в разл. кристаллах.

П. о. существует в средах, лишённых центральной симметрии, называемых пьезоэлектриками. Симметрия кристаллов накладывает определённые ограничения на постоянные Поккельса, часть из них обращается в нуль, нек-рые могут оказаться равными между собой. Материал считается обладающим значит. электрооптич. эффектом, если его коэф.

порядка

Поэтому при обычных внеш. полях

В/см линейное изменение показателя преломления составляет

Это означает, что существенные изменения оптич. длины под действием П. э. могут быть получены только в тех случаях, когда длина кристалла в направлении распространения света

раз превышает длину волны света.

П. э. широко применяется при создании разл. устройств управления оптич. излучением, таких, как модуляторы света ,дефлекторы, переключатели оптич. каналов и т. п. Обычно в этих устройствах используются кристаллы

см/В),

= 33·

см/В),

= = 11·

см/В),

= 26,8-

см/В) и др.

Значит. увеличение постоянных Поккельса происходит в сегнетоэлектрич. кристаллах при приближении к точке Кюри. Из зависимости r₆₃ от температуры для кристаллов

(рис. 1) видно, что в точке Кюри постоянные Поккельса увеличиваются в

раз по сравнению с комнатной температурой, что позволяет снизить управляющие напряжения. Однако трудности охлаждения кристаллов и поддержания с высокой точностью их температуры ограничивают применение устройств, работающих при температуре, близкой к температуре Кюри. Сегнетоолектрики

имеющие точки Кюри вблизи комнатной температуры и большие коэф.

см/В, непригодны, однако, для создания устройств управления светом по своим оптич. качествам.

На практике П. э. часто маскируется вторичным электрооптич. эффектом, обусловленным деформациями пьезокристалла при наложении электрич. поля за счёт обратного пьезооптического эффекта. Эти деформации из-за наличия фотоупругости приводят к изменению показателя преломления, к-рое складывается с первичным П. э. При наличии деформаций изменение коэф. эллипсоида (3) должно быть записано в виде

где

- коэф. фотоупругости,

- компоненты деформации,

- проекции электрич. ноля на оси координат. Если к кристаллу не приложены внеш. напряжения, то деформации обусловлены только электрич. полем

где

- пьезоэлектрич. коэф. Подставив (5) в (4), имеем

Выражение в скобках наз. низкочастотной постоянной Поккельса, т. к. именно эта величина измеряется при НЧ изменения электрич. поля. На очень высоких частотах деформации кристалла малы и имеет место только первичный П. э.

Особенно резко увеличиваются деформации на частотах, соответствующих собств. колебаниям кристалла. Когда частота внеш. электрич. поля совпадает с одной из собств. частот, деформации увеличиваются в Q раз, где Q - добротность соответствующего колебания. При таком резонансе электрооптич. коэф. может возрасти в 10³ раз, что позволяет во столько же раз снизить управляющее напряжение. Однако это явление наблюдается в узкой полосе частот и сильно зависит от температуры. Для улучшения частотной характеристики широкополосной модуляции света с помощью П. э. приходится специально демпфировать собств. колебания электрооптич. кристалла, однако и в этом случае переход от низких частот к высоким сопровождается изменением постоянной Поккельса за счёт пьезоэффекта.

На рис. 2 приведены зависимости

для кристалла LiNb0₃ с размерами 41 X 3,3 X 3,3 мм³ от частоты, измеренные экспериментально. На низких частотах

определяются суммой первичного и вторичного П. э. При этом для

оба эффекта имеют одинаковый знак, а для

вторичный эффект имеет знак, противоположный первичному. Поэтому на высоких частотах

больше своего квазистатич. значения, а

- меньше. На частотах около 0,6 МГц имеет место собств. резонанс кристалла. ВЧ-значение постоянных Поккельса обычно не меняется вплоть до частот

Гц, соответствующих частоте резонанса кристаллич. решётки.

Рис. 2. Экспериментальная частотная зависимость постоянных Поккельса

для кристалла LiNbO₃.

Литература по эффекту Поккельса

Знаете ли Вы, что в 1974 - 1980 годах профессор Стефан Маринов из г. Грац, Австрия, проделал серию экспериментов, в которых показал, что Земля движется по отношению к некоторой космической системе отсчета со скоростью 360±30 км/с, которая явно имеет какой-то абсолютный статус. Естественно, ему не давали нигде выступать и он вынужден был начать выпуск своего научного журнала "Deutsche Physik", где объяснял открытое им явление. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.