Физические эффекты, используемые для модуляции оптического

излучения.

 

Изотропные материалы, помещенные в электрическое или магнитное поле из-за преимущественной ориентации полярных молекул становятся анизотропными.

Распространяющееся в них электромагнитное (оптическое) колебание распадается на два - необыкновенное, поляризованное в направлении вектора напряженности поля, и обыкновенное, поляризованное перпендикулярно вектору напряженности поля. Эти колебания распространяются с разными фазовыми скоростями:

;

где: С – скорость света;

n – показатель преломления;

индексы: о – обыкновенный (ozdinazy),

е – необыкновенный (enozdinazi).

Поэтому выходящий из вещества свет эллиптически поляризован. Разность показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного колебаний пропорциональна квадрату напряженности электрического поля Е:

в связи с чем такой эффект назван квадратичным электрооптическим эффектом Керра (1875г.), где:

l – длина волны света;

В – постоянная Керра.

Эффект Керра объясняется тем, что в электрическом поле происходит ориентация молекул, либо уже имеющих, либо приобретающих в этом поле электрический дипольный момент. Так как оптические свойства каждой молекулы анизотропны, то при ориентации молекул оптическую анизотропию приобретает вещество в целом. До помещения в электрическое поле это вещество было изотропным по той причине, что молекулы располагались хаотически и электрические дипольные моменты взаимно компенсировались. Так как дипольные электрические моменты молекул вещества ориентируются по направлению напряженности электрического поляЕ, то диэлектрическая проницаемость по этому направлению отлична от диэлектрической проницаемости во всех направлениях, перпендикулярных Е. Таким образом вдоль направления Е образуется главная оптическая ось, и в целом вещество приобретает свойства одноосного кристалла.

Двойное лучепреломление вещества под действием внешнего магнитного поля называется эффектом Коттока-Мутона. При этом разность показателей преломления равна

n_e – n_o = K¹×H²,

где: Н – напряженность магнитного поля;

K¹ = D×l

D – постояннаяКоттока-Мутона.

Закономерности эффектов Керра и Коттока-Мутона во многом сходны. Явление Керра практически безынерционно: запаздывание в изменении (n_е – n_о) по сравнению с изменением Е меньше 10^-9 сек.

В кристаллических материалах, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, также под воздействием внешнего электрического поля возникает двойное лучепреломление, однако разность показателей преломления для обыкновенного и необыкновенного колебаний пропорциональна в этом случае первой степени напряженности электрического поля.Это явление называется линейным электрооптическим эффектом (или эффектом Поккельса(1893г.). Благодаря весьма малой инерционности эффекта Керра и эффекта Поккельса, они используются для создания высокочастотных модуляторов света.

В оптическом диапазоне для модуляции интенсивности и частоты излучения используют электрооптический, акустооптический или пьезоэлектрический эффекты, а для модуляции фазы и поляризации - магнитооптический или электрооптический эффекты. Частотную модуляцию можно также обеспечить на основе эффекта Зеемана или Штарка.

Эффект Зеемана заключается в расщеплении под воздействием магнитного поля спектральных линий, излучаемых атомной системой. Известно, что при переходе атома из состояния с энергией W₂ в состояние с энергией W₁ излучается квант света с частотой

где: h - постоянная Планка.

Внешнее магнитное поле возмущает электронные орбиты, в результате чего уровни энергии электронов расщепляются с образованием так называемых зеемановских подуровней и каждое стационарное состояние с энергией W приобретает дополнительную энергию DW. Поэтому атомной системой будет испускаться колебание с частотой ν+Dν.

Можно показать, что смещение

где: m – матнеток Бора,

Н – напряженность магнитного поля,

Dm – разность магнитных квантовых чисел.

В силу правила отбора числоm может меняться только на ± 1 или оставаться неизменным. Таким образом, при воздействии магнитного поля на источник света, испускаемая источником спектральная линия частоты ν расщепляется на три составляющих, средняя из которых (при Dm = 0) остается несмещенной – имеет ту же частоту ν, а крайние (Dm = ± 1) смещаются на ±Dν, т.е. пропорционально напряженности магнитного поля, и имеют частоты ν+Dν и ν-Dν. При этом не смещенная относительно первичной линии составляющая поляризована в направлении вектора напряженности магнитного поля, а две симметричные относительно нее составляющие поляризованы перпендикулярно вектору.

Эффект Штарка отличается от эффекта Зеемана лишь тем, что расщепление спектральных линий атомов происходит не в магнитном, а в электрическом поле.