Обзор физических эффектов, пригодных для построения электрооптических датчиков напряженности электрического поля Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.317.328

А.А. Куницын, С.В. Бирюков

Омский государственный технический университет, г. Омск

ОБЗОР ФИЗИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ, ПРИГОДНЫХ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Керра эффект (К. э.) - название трёх явлений, два из которых (I и III) были открыты Дж. Керром (1.Кегг) в 1875 (электрооптический К. э.) и в 1876 (магнитооптический К. э.); после появления лазеров в сильных оптических полях был замечен эффект, аналогичный элек-трооптическому К. э., который назвали оптический К. э.

Электрооптический К. э. - квадратичный электрооптический эффект, возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах (газах, жидкостях, кристаллах с центром симметрии, стёклах) под действием внешнего однородного электрического поля. Оптически изотропная среда, помещённая в электрическое поле, становится анизотропной, приобретает свойства одноосного кристалла, оптическая ось которого направлена вдоль поля [1].

ШразЩ

Рис. 1. Схема наблюдения электрооптического эффекта Керра

Регистрируется К. э. обычно по возникновению эллиптичности в проходящем через среду линейно поляризованном световом пучке. Между скрещенными поляризатором (рис.

1) и анализатором (А) располагается Керра ячейка - плоский конденсатор, заполненный прозрачным изотропным веществом. Плоскость поляризации падающего на ячейку излучения составляет угол 45° с направлением поля. В отсутствие поля свет не проходит через анализатор. Индуцируемая электрическим полем оптическая анизотропия среды приводит к различию показателей преломления пе и п0 необыкновенной и обыкновенной компонент пучка, поляризованных соответственно вдоль и поперёк поля. Имея разные скорости, эти компоненты по мере распространения через среду приобретают разность фаз и, складываясь на вы-

331

ходе из среды, образуют эллиптически поляризованный свет, который частично проходит через анализатор. О величине эффекта можно судить по интенсивности прошедшего через анализатор света, регистрируемой фотоприёмником ФП. Вводя компенсатор оптический перед анализатором, можно измерить разность фаз между обоими лучами и таким образом найти разность пе-п0. Величина фазового сдвига 6, индуцируемого электрическим полем при К. э., определяется выражением:

Здесь I - длина образца, Е - напряжённость электрического поля, X - длина волны света в вакууме, В - постоянная Керра. Постоянной Керра иногда также называют величину К=ВХ/п (п - показатель преломления вещества в отсутствие поля), которая численно равна относительной разности показателей преломления (пе-п0)/пво внешнем электрическом поле единичной напряжённости. Постоянная Керра обладает дисперсией (обычно увеличивается при уменьшении X), может быть положительной и отрицательной, зависит от агрегатного состояния вещества, температуры и структуры молекул.

Количественно теория К. э. была дана П. Ланжевеном в 1910 г. для недипольных (неполярных) молекул и обобщена М. Борном в 1918 г. на случай дипольных (полярных) молекул. К. э. объясняется анизотропией поляризуемости [2]. Хаотичное расположение анизотропных молекул обусловливает макроскопическую изотропность среды в отсутствие поля. Внешнее электрическое поле индуцирует в молекуле дипольный момент, пропорциональный полю, но не совпадающий с ним по направлению из-за анизотропии поляризуемости молекулы. При взаимодействии поля с индуцированным диполем возникает момент сил, стремящийся развернуть молекулу так, чтобы направление её максимальной поляризуемости совпало с направлением поля. Ориентирующее действие поля и дезориентирующее действие теплового движения молекул приводят к установлению при заданной температуре определенной степени ориентации молекул, определяющей анизотропию оптических свойств среды, т. е. величину К. э. Теория Ланжевена предсказывала положительный знак постоянной Керра для произвольного вида тензора поляризуемости молекулы. Борн теоретически описал К. э. для дипольных молекул, когда ориентирующее действие электрического поля обусловлено его взаимодействием с моментами молекул, направление которых не совпадает с направлением максимальной оптической поляризуемости. Вследствие этого постоянная Керра может быть как положительной, так и отрицательной (если направление макс. поляризуемости перпендикулярно направлению момента).

Вышеупомянутый ориентационный механизм установления оптической анизотропии среды применим к газам и в меньшей степени к жидкостям, где значительную роль начинают играть неучтённые в теории межмолекулярные взаимодействия. В случае сферически-симметричных молекул, а также в твёрдых телах, где ориентация степени свободы молекул "заморожены", К. э. носит чисто поляризационный характер. Действие поляризационного механизма сводится к тому, что исходно оптически изотропная молекула, поляризованная внешним электрическим полем, обнаруживает различия в оптических поляризуемостях в направлениях вдоль и поперёк поля. Фактически это уже нелинейный эффект взаимодействия поля с веществом.

Строгое теоретическое рассмотрение К. э. может быть проведено лишь в рамках квантовой механики, согласно которой действие электрического поля на среду сводится к изменению энергий и волновых функций квантовых состояний, ответственных за её опти-

332

ческие свойства. К. э. обладает чрезвычайно малой инерционностью: время релаксации ~10-11-10-12 с. Это нашло широкое применение при создании быстродействующих оптических затворов и модуляторов света, необходимых для лазерной техники и скоростной фотографии.

В твёрдых телах (кристаллах и стёклах) наряду с истинным К. э., обусловленным электрической поляризацией диэлектрика, может наблюдаться также квадратичный электрооп-тический эффект, связанный с деформацией среды вследствие электрострикции. Этот ложный К. э. можно отличить от истинного по значительно большим временам релаксации.

Энергия взаимодействия анизотропной молекулы с электрическим полем (при комнатной температуре) в десятки тысяч раз меньше энергии теплового движения, поэтому степень выстраивания молекул в доступных электрических полях оказывается чрезвычайно малой. В жидких кристаллах, где электрическое поле взаимодействует не с отдельными молекулами, а с большими ориентированными группами молекул, энергия электростатического взаимодействия уже при низких напряжённостях поля оказывается сопоставимой с энергией теплового движения и К. э. может достигать больших величин.

Эффект Поккельса заключается в возникновении двойного лучепреломления под влиянием внешнего электрического поля (рис. 2), причем разность показателей преломления необыкновенного и обыкновенного лучей пропорциональна первой степени напряженности электрического поля [3].

Рис. 2. Эффект Поккельса

Эффект Поккельса обладает очень малой инерционностью, оптическая анизотропия следует за изменением значения напряженности электрического поля с запаздыванием порядка 10"10 с. Преобразователь датчика, служащий для модуляции излучения в соответствии со значением напряженности электрического поля, называют ячейкой Поккельса.

Различают продольный и поперечный эффекты Поккельса. В обоих случаях оптическое излучение должно распространяться в направлении оптической оси, которую кристалл имеет при отсутствии внешнего электрического поля. В случае продольного эффекта поле должно быть приложено вдоль этой оптической оси, что осуществляют, приложив напряжение к прозрачным электродам или электродам, имеющим небольшие отверстия для прохода излучения.

При реализации поперечного эффекта Поккельса электроды расположены параллельно лучу, расстояние между ними может быть малым, а длина вдоль луча - большой. Поэтому

333

можно создать полуволновую ячейку при сравнительно небольшой разности потенциалов между электродами.

При использовании продольного эффекта, разность фаз между обыкновенным и необыкновенным лучами для фиксированной разности потенциалов не зависит от длины ячейки, поэтому с увеличением длины уменьшается напряженность электрического поля. Продольный эффект предпочтительнее использовать для создания преобразователей волоконнооптических датчиков, предназначенных для исследования высокочастотных процессов, поскольку в этом случае электроды имеют меньший размер, а преобразователь - меньшую электрическую емкость.

Для построения волоконно-оптических датчиков напряженности электрического поля на основе эффекта Поккельса, используют монокристаллах Б112БЮ20, Ы12ОеО20, В112ТЮ20 и др. Волоконно-оптические датчики на основе обратного пьезоэлектрического эффекта могут быть построены с использованием пластинок или цилиндров из материалов, обладающих пьезоэффектом. Изменение линейных размеров такой пластинки при приложении напряжения может быть использовано для осуществления амплитудной модуляции оптического излучения в преобразователе волоконно-оптического датчика, например, за счет перемещения шторки в зазоре между двумя волокнами, по которым распространяется излучение. Изменение диаметра цилиндра в электрическом поле приводит к возникновению микроизгибов в оптоволокне, плотно намотанном на цилиндр со специально подготовленной поверхностью. Размеры микроизгибов в оптоволокне обусловливают, в свою очередь, амплитудную модуляцию излучения. Такие конструкции датчиков отличаются неравномерностью частотной характеристики, вызванной механическими резонансами на частотах от сотен герц до десятков килогерц.

Библиографический список

1. Кэрра эффект[Электронный ресурс],-режим доступа±йр://Ь8е.8сьНЬ.сош/аг11с1е 060793.html, свободный

2. Красюк, Б.А. Световодные датчики / Б. А. Красюк, О.Г. Семенов, А.Г. Шереметьев и др. - М.: Машиностроение, 1990 - 256 с.

3. Эффект Поккельса[Электронный ресурс],-режим доступа: http://dic.academiс.ги/ ёю.тГ/епа гт/3707202, свободный