Керра эффект

Керра эффект, Кeppa явление, возникновение двойного лучепреломления в оптически изотропных веществах, например жидкостях и газах, под воздействием однородного электрического поля. Открыт Дж. Керром в 1875. В результате К. э. газ или жидкость в электрическом поле приобретает свойства одноосного кристалла (см. Кристаллооптика), оптическая ось которого направлена вдоль поля.

Для наблюдения К. э. монохроматический свет пропускают через поляризатор П (например, призму Николя) и направляют в плоский конденсатор, заполненный изотропным веществом (ячейка Керра, см. рис.). Поляризатор преобразует естественно поляризованный свет в линейно поляризованный (см. Поляризация света). Если к обкладкам конденсатора не приложено напряжение, то поляризация света, проходящего через вещество, не изменяется и свет полностью гасится второй призмой Николя А, повёрнутой на 90° по отношению к первой (анализатором). Если к обкладкам приложено напряжение, то линейно поляризованная световая волна в веществе распадается на две волны, поляризованные вдоль поля Ен (необыкновенная волна) и под прямым углом к полю Е0 (обыкновенная волна), которые распространяются с разными скоростями. Из-за разной скорости распространения фазы колебаний электрического вектора у необыкновенной волны Ен и обыкновенной Е0 волн по выходе из ячейки не совпадают, в результате чего результирующая световая волна оказывается эллиптически поляризованной и частично проходит через анализатор. Если между ячейкой Керра и анализатором А поставить компенсатор К, преобразующий эллиптически поляризованный свет в линейно поляризованный, то поворотом компенсатора можно снова добиться полного гашения света анализатором. Зная угол поворота компенсатора, можно вычислить величину двойного лучепреломления: Dn = nн - no, где nн и no — показатели преломления для необыкновенной и обыкновенной волн.

Величина двойного лучепреломления прямо пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля: Dn = nkE2(закон Керра). Здесь n — показатель преломления вещества в отсутствии поля, k — постоянная Керра. Постоянной Керра называют также величину В = nkl (l — длина световой волны). Постоянные Керра k и В могут быть положительными или отрицательными. Их величины зависят от агрегатного состояния вещества, температуры, а также от структуры молекул вещества. Для газов k ~ 10-15 СГСЕ. Для жидкостей k ~ 10-12 СГСЕ. Ещё большими значениями постоянных Керра характеризуются растворы жёстких макромолекул и коллоидные растворы.

Объяснение К. э. было дано П. Ланжевеном (1910) и М. Борном (1918). Электрическое поле стремится повернуть молекулы вещества так, чтобы их электрический дипольный момент был направлен вдоль поля Е. Электрическое поле не только ориентирует молекулы, но и создаёт в молекулах дополнительный дипольный момент. Это существенно, например, для инертных газов, атомы которых в отсутствии поля не обладают дипольным моментом. В результате действия поля в веществе возникает определённая ориентация частиц. При этом условия распространения в веществе световых волн, поляризованных вдоль и поперёк поля, оказываются различными (см. Двойное лучепреломление). Тепловое движение препятствует ориентации атомов и молекул, поэтому постоянная Керра убывает с ростом температуры. Измеряя постоянные Керра, можно вычислить эллипсоид оптической поляризуемости, что позволяет получить важную информацию о структуре молекул.

В переменном электрическом поле К. э. зависит от скорости переориентации молекул при изменении знака поля. Эта скорость для низкомолекулярных жидкостей очень велика (времена изменения ориентации < 10-9 сек). Поэтому при частоте электрического поля < 109 гц интенсивность света, проходящего через анализатор, будет следовать за колебаниями электрического поля (с удвоенной частотой) практически без запаздывания. Таким образом, ячейка Керра может работать как модулятор светового потока, что имеет важное прикладное значение (см. Керра ячейка).

Помимо описанного электрооптического К. э. в 1876 Керром было обнаружено магнитооптическое явление (магнитооптический эффект Керра) при наблюдении отражения света от полированной поверхности полюса магнита. Магнитооптический К. э. состоит в том, что плоско поляризованный свет, отражаясь от намагниченного ферромагнетика, становится эллиптически поляризованным; при этом большая ось эллипса поляризации поворачивается на некоторый угол по отношению к плоскости поляризации падающего света. Падающий свет при наблюдении магнитооптического К. э. Должен быть поляризован в плоскости падения либо нормально к ней, так как при всякой другой поляризации явление осложняется появлением эллиптичности  поляризации, вызванной отражением от металлической (ненамагниченной) поверхности (см. Металлооптика).

Появление эллиптичности поляризации и вращение плоскости поляризации наблюдается также при прохождении света через тонкие намагниченные ферромагнитные плёнки (см. Фарадея эффект).Оба магнитооптических явления имеют сходную природу и объясняются квантовой теорией. Магнитооптический К. э. нашёл широкое применение при изучении доменной структуры ферромагнетиков (см. Домены, Магнитооптика).

  Лит.: Волькенштейн М. В., Строение и физические свойства молекул, М., 1955; его же, Молекулярная оптика, М. — Л., 1951; Соколов А. В., О магнетооптических явлениях в ферромагнетиках, "Успехи физических наук", 1953, т. 50, в. 2, с. 161; его же, Оптические свойства металлов, М., 1961.

  Ю. Е. Светлов.