Эффект Керра представляет совокупность трех явлений. Причем первое и третье явления в 1875 году открыл Дж. Керр. Это так называемый электрооптический эффект. В 1876 году этот же ученый открыл магнитооптический эффект. В результате был выявлен такой эффект, который стал аналогичен электрооптическому. Он вел себя в сильных оптических полях практически так же. Его стали называть оптическим.
Классификация
Эффект Керра подразделяется на два вида:
- магнитооптический;
- светооптический.
Рассмотрим каждый из них более подробно.
Электрооптический эффект
Любая изотропная (газ, жидкость или стекло) оптически среда, которая предварительно была помещена в зону электрического поля, преобразуется в анизотропную среду, обладающую свойствами одноосного кристалла. При этом стоит учесть особенности. Ось оптики такого кристалла имеет продольное направление. Иными словами, расположена она вдоль электрического поля.
Для того чтобы обнаружить эффект Керра, необходимо пропустить сквозь поляризатор (к примеру, это может быть призма Николя) поток монохроматического света. После чего направить его в зону плоского конденсатора, заполненного изотропным веществом.
Функция поляризатора заключается в преобразовании естественным путем поляризованного света в пучок, но уже линейным образом.
Что будет, если изменить условия? Если к конденсатору не подключено напряжение, то, соответственно, поляризация пучка света остается той же самой, а сам световой поток затухает во второй призме Николя. Имеет значение и расположение элементов. Призма Николя развернута под прямым углом к первой, то есть они перпендикулярны друг другу. Учитывается коэффициент преломления.
Если же напряжение подключено, то прошедшая процесс линейной поляризации световая волна делится, в свою очередь, на две составляющие части. Они оказываются поляризованными продольно ориентированной необыкновенной волны. При этом обе части находятся под углом 90о к обыкновенной волне, но движутся с различными скоростями.
Это обеспечивает разность фаз колебательных движений волны, как обыкновенной, так и необыкновенной. Поэтому суммарный (результирующий) поток света частично проходит через анализаторный аппарат. Он становится поляризованным, эллиптическим образом.
Что будет, если же в промежуток между рядом расположенными анализаторным устройством и установленной ячейкой Керра поместить компенсатор? Также возможно добиться эффекта полного погашения светового потока действием анализатора. Это происходит в результате того, что компенсатор преобразует эллиптическую световую поляризации в линейно-поляризационную волну. Что такое искусственная оптическая анизотропия? Об этом поговорим далее.
Объяснение этого свойства
Было предложено сначала в 1910 году Ланжевеном, а затем в 1918 году Борном. При этом исследования не зависели друг от друга. Их мнение заключается в том, что своими усилиями электрическое поле старается развернуть мелкие молекулы веществ таким образом, чтобы их моменты направления (электрические и дипольные) стали ориентированы вдоль направления электрического поля Е. Кроме того, находясь в пределах электрического поля, моменты молекул не только совершают повороты своего направления, но и в них одновременно возникают дополнительные дипольные моменты. Так, например, в молекулах газа при отсутствии такого электрического поля их нет.
Как влияет на это коэффициент преломления?
В результате формируются различно направленные (в направлении вдоль и поперек) потоки световых лучей.
Необходимо отметить, что с повышением температуры процесс изменения направления замедляется, так как выявлено препятствующее влияние теплового движения на ориентацию атомов и молекул.
Поэтому, постоянно измеряя значения используемых величин, можно установить эллипсоидную поляризацию оптики. Также это позволяет выявить структурные составляющие этих молекул и атомных частиц.
Кроме того, эффект Керра будет еще зависеть и от других показателей. В первую очередь, это скорость переориентации молекулярных и атомных частиц. Известно, что такой показатель низкомолекулярной жидкости имеет достаточно большое числовое значение. Вот что такое квадратичный электрооптический эффект.
Магнитно-оптический эффект
Магнитно-оптический эффект представляет собой одно из основных свойств магнитооптики. Иными словами, он отражает результат действия намагниченной среды на такие свойства светового пучка, как степень его интенсивности и способность к поляризации. При этом свет должен быть отраженным от всей поверхности среды.
Этот эффект был описан Керром в 1876 году при проведении эксперимента с использованием отраженного света от заранее отполированной поверхности магнита.
В чем его суть? Она заключается в том, что происходит превращение плоскоориентированного поляризованного пучка света от поверхности ферромагнетика, предварительно намагниченного, в поляризованный, но уже в виде эллипса.
Что при этом происходит? В это же время наибольшая осевая составляющая поляризованного эллипса отклоняется от плоскости поляризации падающего пучка светового луча на некоторый угол.
Значение данного открытия и его применение
На самом деле именно третий открытый Керром магнитно-оптический эффект в полном объеме используется для исследования и изучения электронных структур тех металлов и сплавов, которые обладают ферромагнетическими свойствами. Эти вещества способны притягивать предметы определенного состава. Проще говоря, это простые магниты. Также может быть применено для определения основы (доменной) ферромагнетиков и составляющих самого поверхностно расположенного слоя отполированного металлического предмета.
Определяются взаимосвязи между величиной эффекта Керра и основных свойств, характеризующих оптическую систему, которые находились тесном контакте с прилегающей поверхностью магнетика исследуемой среды. Так, например, увеличение значения эффекта возможно при нанесении на верхний слой диэлектрика. Помимо этого, мы также можем добиться и формирования более четко выраженной картины исследования.
Закон
Закон Керра выглядит следующим образом:
ne − no = Bλ0E2,
где:
λ0 — длина в вакууме волны света ;
B — постоянная Керра, зависящая от природы вещества, длины волныλ0 и температуры.
Для большинства веществ B > 0.
На чем основана искусственная оптическая анизотропия?
Двойным лучепреломление может быть в естественных анизотропных средах. Имеются, однако, различные методы ее получения.
Оптически изотропные вещества превращаются в оптически анизотропные, когда на них действует:
- одностороннее сжатие или растяжение (кристаллы кубической системы, стекла и др.);
- электрическое поле (эффект Керра, жидкость, аморфное тело, газ);
- магнитное поле (жидкость, стекло, коллоид).
В перечисленных случаях вещество становится одноосным кристаллом, оптическая ось начинает совпадать с деформацией, электрическим или магнитным полем.
