Керра эффекты

КЕРРА ЭФФЕКТЫ, название трёх явлений, два из которых были открыты шотландским физиком Дж. Керром в 1875 году (электрооптический Керра эффект) и в 1876 (магнитооптический Керра эффект); после появления лазеров был обнаружен эффект в сильных оптических полях, аналогичный электрооптическому Керра эффекту, который назвали оптическим эффектом Керра.

Электрооптический эффект Керра - 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 (смотри Кристаллооптика), оптическая ось которого направлена вдоль поля.

Регистрируется электрооптический Керра эффект по возникновению эллиптичности в проходящем через среду линейно поляризованном световом пучке. Между скрещенными поляризатором (П) (рисунок 1) и анализатором (А) располагается так называемая ячейка Керра - плоский конденсатор, заполненный прозрачным изотропным веществом. Плоскость поляризации падающего на ячейку излучения составляет угол 45° с направлением поля. При отсутствии поля свет не проходит через анализатор. Индуцируемая электрическим полем оптическая анизотропия среды приводит к различию показателей преломления n_е и n₀ 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 выходе из среды (смотри Интерференция поляризованных лучей), образуют эллиптически поляризованный свет, который частично проходит через анализатор. О величине эффекта можно судить по интенсивности прошедшего через анализатор света, которая регистрируется фотоприёмником (ФП). Вводя компенсатор оптический перед анализатором, можно измерить разность фаз между обоими лучами и таким образом найти разность n_е-n₀. Величина фазового сдвига δ, индуцируемого электрическим полем при Керра эффекте, определяется выражением: δ = (2π/λ)l(n_е-n₀)  = 2πBlΕ². Здесь l - длина образца, Е - напряжённость электрического поля, λ - длина волны света в вакууме, В - постоянная Керра. Постоянной Керра иногда также называют величину К = Bλ/n (n - показатель преломления вещества при отсутствии поля), которая численно равна относительной разности показателей преломления (n_е-n₀)/n во внешнем электрическом поле единичной напряжённости. Постоянная Керра обладает дисперсией (обычно увеличивается при уменьшении λ), может быть положительной и отрицательной, зависит от агрегатного состояния вещества, его температуры и структуры молекул.

Количественная теория Керра эффекта была дана П. Ланжевеном в 1910 году для недипольных (неполярных) молекул и обобщена М. Борном в 1918 на случай дипольных (полярных) молекул. Керра эффект объясняется ориентационным механизмом (в случае анизотропно поляризованных молекул) либо поляризационным механизмом. Действие последнего сводится к тому, что исходно оптически изотропная молекула, поляризованная внешним электрическим полем, имеет разные поляризуемости в направлениях вдоль и поперёк ноля. Фактически это уже нелинейный эффект взаимодействия поля с веществом (смотри Нелинейная поляризация). Строгое теоретическое рассмотрение Керра эффекта можно провести лишь в рамках квантовой механики.

Керра эффект обладает очень малой инерционностью: время релаксации порядка 10^-11- 10^-12 с. Это широко используется при создании быстродействующих оптических затворов и модуляторов света.

Оптический эффект Керра. Зависимость Керра эффекта лишь от чётных степеней Е даёт возможность наблюдать постоянную составляющую эффекта и в переменных электрических полях. Это реализуется в сильных (обычно лазерных) полях оптической частоты - так называемый оптический Керра эффект. Ось светоиндуцированной анизотропии среды при этом определяется направлением вектора напряжённости электрического поля световой волны. В ВЧ-поле анизотропия обусловлена ориентацией только индуцированных дипольных моментов. Оптический Керра эффект используется для измерений времён ориентационной релаксации молекул, для определения поляризуемости молекул и их структуры.

Магнитооптический эффект Керра - влияние намагниченности среды на интенсивность и поляризацию света, отражённого от её поверхности. Достаточную для измерения величину магнитооптического Керра эффекта имеют вещества, обладающие большой намагниченностью и высоким коэффициентом поглощения, поэтому эффект наблюдается главным образом при отражении света от металлических ферромагнетиков.

В зависимости от ориентации вектора намагниченности относительно отражающей поверхности и плоскости падения светового пучка различают три вида магнитооптического Керра эффекта: полярный, меридиональный и экваториальный. При полярном эффекте вектор намагниченности j направлен перпендикулярно отражающей поверхности и параллельно плоскости падения (рисунок 2, а), влияние намагниченности сводится к вращению плоскости поляризации и появлению эллиптической поляризации отражённого от поверхности магнетика линейно поляризованного света. При меридиональном магнитооптическом Керра эффекте вектор намагниченности расположен параллельно отражающей поверхности магнетика и плоскости падения светового пучка (рисунок 2, б). Если плоскость поляризации падающего линейно поляризованного света составляет некоторый угол с плоскостью падения (отличный от 0° и 90°), то оба эффекта проявляются также в линейных по намагниченности изменениях интенсивности отражённого света. Общим для полярного и меридионального эффектов является наличие не равной нулю проекции волнового вектора к световой волны на направление намагниченности среды j. В этом полярный и меридиональный Керра эффекты сходны с эффектом Фарадея.

Экваториальный магнитооптический Керра эффект наблюдается при расположении вектора намагниченности перпендикулярно плоскости падения и параллельно плоскости отражения (рисунок 2, в); проявляется в изменении интенсивности и фазового сдвига линейно поляризованного света, отражённого намагниченной средой. Отсутствие проекции волнового вектора на направление намагниченности среды объединяет экваториальный Керра эффект с другим поперечным магнитооптическим эффектом, наблюдающимся при прохождении света через намагниченную среду в направлении, перпендикулярном намагниченности, - Коттона - Мутона эффектом. Однако, в отличие от квадратичного эффекта Коттона - Мутона, экваториальный Керра эффект является линейным по фазовым и амплитудным изменениям в отражённом свете в зависимости от намагниченности. Это позволяет использовать экваториально намагниченные зеркала в качестве невзаимных элементов оптических устройств.

Магнитооптический Керра эффект применяется при исследованиях электронной структуры ферромагнитных металлов и сплавов, доменной структуры ферромагнетиков, при изучении структуры поверхностного слоя полированного металла.

Лит.: Соколов А. В. Оптические свойства металлов. М., 1961; Жёлудев И. С. Симметрия и ее приложения. 2-е изд. М., 1983; Вонсовский С. В. Магнетизм. 2-е изд. М., 1984; Кринчак Г. С. Физика магнитных явлений. 2-е изд. М., 1985; Сивухин Д. Ф. Общий курс физики. 3-е изд. М., 2006. [Т. 4]; Оптика.