КЕ́РРА ЭФФЕ́КТЫ

КЕ́РРА ЭФФЕ́КТЫ, на­зва­ние трёх яв­ле­ний, два из ко­то­рых бы­ли от­кры­ты шотл. фи­зи­ком Дж. Кер­ром в 1875 (элек­тро­оп­ти­че­ский К. э.) и в 1876 (маг­ни­то­оп­ти­че­ский К. э.); по­сле по­яв­ле­ния ла­зе­ров был об­на­ру­жен эф­фект в силь­ных оп­тич. по­лях, ана­ло­гич­ный элек­тро­оп­ти­че­ско­му К. э., ко­то­рый на­зва­ли оп­ти­че­ским эф­фек­том Кер­ра.

Электрооптический эффект Керра –

квад­ра­тич­ный элек­тро­оп­тич. эф­фект, воз­ник­но­ве­ние двой­но­го лу­че­пре­лом­ле­ния в оп­ти­че­ски изо­троп­ных ве­ще­ст­вах (га­зах, жид­ко­стях, кри­стал­лах с цен­тром сим­мет­рии, стёк­лах) под дей­ст­ви­ем внеш­не­го од­но­род­но­го элек­трич. по­ля. Оп­ти­че­ски изо­троп­ная сре­да, по­ме­щён­ная в элек­трич. по­ле, ста­но­вит­ся ани­зо­троп­ной, при­об­ре­та­ет свой­ст­ва од­но­ос­но­го крис­тал­ла (см. Кри­стал­ло­оп­ти­ка), оп­тич. ось ко­то­ро­го на­прав­ле­на вдоль по­ля.

Рис. 1. Схема наблюдения электрооптического эффекта Керра.

Ре­ги­ст­ри­ру­ет­ся элек­тро­оп­тиче­ский К. э. по воз­ник­но­ве­нию эл­лип­тич­но­сти в про­хо­дя­щем че­рез сре­ду ли­ней­но по­ля­ри­зо­ван­ном све­то­вом пуч­ке. Ме­ж­ду скре­щен­ны­ми по­ля­ри­за­то­ром (П) (рис. 1) и ана­ли­за­то­ром (А) рас­по­ла­га­ет­ся т. н. 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 элек­трич. по­лем оп­тич. ани­зо­тро­пия сре­ды при­во­дит к раз­ли­чию по­ка­за­те­лей пре­лом­ле­ния $n_e$ и $n_o$ 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 (см. 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 т. о. най­ти раз­ность $n_e-n_o$. Ве­ли­чи­на фа­зо­во­го сдви­га $\delta$, ин­ду­ци­руе­мо­го элек­трич. по­лем при К. э., оп­ре­де­ля­ет­ся вы­ра­же­ни­ем: $\delta=(2 \pi/ \lambda)l(n_e-n_o)=2 \pi BlE^2$. Здесь $l$ – дли­на об­раз­ца, $E$ – на­пря­жён­ность элек­трич. по­ля, $\lambda$  – дли­на вол­ны све­та в ва­куу­ме, $B$ – по­сто­ян­ная Кер­ра. По­сто­ян­ной Кер­ра ино­гда так­же на­зы­ва­ют ве­ли­чи­ну $K=b \lambda/n$ ($n$ – по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния ве­ще­ст­ва при от­сут­ст­вии по­ля), ко­то­рая чис­лен­но рав­на от­но­си­тель­ной раз­но­сти по­ка­за­те­лей пре­лом­ле­ния $(n_e-n_o)/n$ во внеш­нем элек­трич. по­ле еди­нич­ной на­пря­жён­но­сти. По­сто­ян­ная Кер­ра об­ла­да­ет дис­пер­си­ей (обыч­но уве­ли­чи­ва­ет­ся при умень­ше­нии $\lambda$), мо­жет быть по­ло­жи­тель­ной и от­ри­ца­тель­ной, за­ви­сит от аг­ре­гат­но­го со­стоя­ния ве­ще­ст­ва, его темп-ры и струк­ту­ры мо­ле­кул.

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

К. э. 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 К. э. лишь от чёт­ных сте­пе­ней $E$ да­ёт воз­мож­ность на­блю­дать по­сто­ян­ную со­став­ляю­щую эф­фек­та и в пе­ре­мен­ных элек­трич. по­лях. Это реа­ли­зу­ет­ся в силь­ных (обыч­но ла­зер­ных) по­лях оп­тич. час­то­ты – т. н. оп­ти­че­ский К. э. Ось све­то­инду­ци­ро­ван­ной ани­зо­тро­пии сре­ды при этом оп­ре­де­ля­ет­ся на­прав­ле­ни­ем век­то­ра на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля све­то­вой вол­ны. В ВЧ-по­ле ани­зо­тро­пия обу­слов­ле­на ори­ен­та­ци­ей толь­ко ин­ду­ци­ро­ван­ных ди­поль­ных мо­мен­тов. Оп­ти­че­ский К. э. 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 К. э. име­ют ве­ще­ст­ва, об­ла­даю­щие боль­шой на­маг­ни­чен­но­стью и вы­со­ким ко­эф. по­гло­ще­ния, по­это­му эф­фект на­блю­да­ет­ся гл. обр. при от­ра­же­нии све­та от ме­тал­лич. фер­ро­маг­не­ти­ков.

Рис. 2. Магнитооптический эффект Керра: а – полярный, б – меридиональный, в – экваториальный; j – вектор намагниченности, k  – волновой вектор.

В за­ви­си­мо­сти от ори­ен­та­ции век­то­ра на­маг­ни­чен­но­сти от­но­си­тель­но от­ра­жаю­щей по­верх­но­сти и плос­ко­сти па­де­ния све­то­во­го пуч­ка раз­ли­ча­ют три ви­да маг­ни­то­оп­ти­че­ско­го К. э.: по­ляр­ный, ме­ри­дио­наль­ный и эк­ва­то­ри­аль­ный. При по­ляр­ном эф­фек­те век­тор на­маг­ни­чен­но­сти $\boldsymbol j$ на­прав­лен пер­пен­ди­ку­ляр­но от­ра­жаю­щей по­верх­но­сти и па­рал­лель­но плос­ко­сти па­де­ния (рис. 2, а), влия­ние на­маг­ни­чен­но­сти сво­дит­ся к вра­ще­нию плос­ко­сти по­ля­ри­за­ции и по­яв­ле­нию эл­лип­тич. по­ля­ри­за­ции от­ра­жён­но­го от по­верх­но­сти маг­не­ти­ка ли­ней­но по­ля­ри­зо­ван­но­го све­та. При ме­ри­дио­наль­ном маг­ни­то­оп­ти­че­ском К. э. век­тор на­маг­ни­чен­но­сти рас­по­ло­жен па­рал­лель­но от­ра­жаю­щей по­верх­но­сти маг­не­ти­ка и плос­ко­сти па­де­ния све­то­во­го пуч­ка (рис. 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 $\boldsymbol k$ све­то­вой вол­ны на на­прав­ле­ние на­маг­ни­чен­но­сти сре­ды $\boldsymbol j$. В этом по­ляр­ный и ме­ри­дио­наль­ный К. э. сход­ны с эф­фек­том Фа­ра­дея.

Эк­ва­то­ри­аль­ный маг­ни­то­оп­ти­че­ский К. э. на­блю­да­ет­ся при рас­по­ло­же­нии век­то­ра на­маг­ни­чен­но­сти пер­пен­ди­ку­ляр­но плос­ко­сти па­де­ния и па­рал­лель­но плос­ко­сти от­ра­же­ния (рис. 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 К. э. с др. по­пе­реч­ным маг­ни­то­оп­тич. эф­фек­том, на­блю­даю­щим­ся при про­хож­де­нии све­та че­рез на­маг­ни­чен­ную сре­ду в на­прав­ле­нии, пер­пен­ди­ку­ляр­ном на­маг­ни­чен­но­сти, – Кот­то­на – Му­то­на эф­фек­том. Од­на­ко, в от­ли­чие от квад­ра­тич­но­го эф­фек­та Кот­то­на – Му­то­на, эк­ва­то­ри­аль­ный К. э. яв­ля­ет­ся ли­ней­ным по фа­зо­вым и ам­пли­туд­ным из­ме­не­ни­ям в от­ра­жён­ном све­те в за­ви­си­мо­сти от на­маг­ни­чен­но­сти. Это по­зво­ля­ет ис­поль­зо­вать эк­ва­то­ри­аль­но на­маг­ни­чен­ные зер­ка­ла в ка­че­ст­ве не­вза­им­ных эле­мен­тов оп­тич. уст­ройств.

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