Elektrooptikai effektus Alapelv: A Pockels effektus az a jelenség, amikor egy eredendően kettőstörő anyag kettőstörő tulajdonsága megváltozik az alkalmazott elektromos tér hatására, és a változás lineáris az elektromos térerősséggel. A hasonló Kerr-effektus abban különbözik, hogy utóbbinál a kettőstörés exponenciálisan nő a térerősség függvényében. A kristályok szimmetriájából kiindulva a Pockels effektus csak szimmetriacentrummal nem rendelkező kristályokban lép fel, míg a Kerr effektus bármilyen anyagban, még folyadékokban is. Transzverzális elrendezésről beszélünk, ha a fénysugár és a kristály kettőstörési tengelye merőlegesek egymásra. Az elektromos tér iránya megegyezik az optikai tengely irányával. Lítium-niobát (LiNbO3) kristály esetén ez az elrendezés a szokásos. A LiNbO3 egytengelyű, negatív kettőstörő tulajdonságú anyag. Törésmutatói: no =2,29, a rendes fénysugárra és ne = 2,20 a rendellenes sugárra.
A kettőstörés megjelenítése A mérés elvi elrendezése a 2. ábrán látható. A kristály anizotrópia-tengelyei függőleges ill. vízszintes irányúak. Ehhez képest a polarizátor és az analizátor áteresztési irányai 45°-os szöget zárnak be. Széttartó nyalábbal átvilágítva un. konoszkópikus képet kapunk, azaz a négy negyedre osztott látómezőben egy-egy hiperbolasorozat látszik. A polarizátor és az analizátor irányában nincs kettőstörés, ezek az ernyőn a hiperbolák érintői. A sötét vonalak ott jelennek meg, ahol a retardáció a hullámhossz egész számú többszöröse. Ezekre a hullámhosszakra igaz, hogy a kettőstörő anyagból kilépve épp lineárisan polarizáltak lesznek, és rezgési síkjuk megegyezik a polarizátor rezgési síkjával, így az analizátor nem engedi át őket. Az útkülönbség (retardáció):
R = d (no – ne) A mintánknál d = 20 mm, az útkülönbség pedig kb. 2800 λ. A látható hiperbola-sorozaton az egyik sötét vonalra R = mλ, a következőre R = (m+1)λ ahol m egy 2800 körüli egész szám. Megjelölve az egyik belső hiperbolát kiindulásként (a 3. ábrán a belső, vízszintes tengelyű, ahol R = m λ), ettől kifelé egyenként λ-val csökken az R ((m-1)λ, (m-2)λ, stb.), a másik tengely irányában egyenként nő ((m+1)λ, (m+2)λ, stb.) A
legvilágosabb helyek ott lesznek, ahol az útkülönbség fél-hullámhossznyi, (m+0,5)λ, (m+1,5)λ stb., az ábrán két sötét vonal között kb. félúton. A Pockels-effektusban növelni vagy csökkenteni tudjuk ezt az útkülönbséget az alkalmazott feszültség függvényében, amit úgy észlelünk, hogy a sötét és világos vonalak elmozdulnak. Azt a nevezetes feszültséget, amely hatására a sötét és világos vonalak helyet cserélnek, félhullám feszültségnek Uπnek nevezzük (fél hullámhossz fáziskülönbségben mérve épp π).
A mérés összeállítása: A kísérletet az ábra szerint a következő sorrendben rakjuk össze: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
A lézert és a két lencsét helyezzük az optikai padra (a: 5mm fókuszú, b: 50mm fókuszú) A polárszűrő felrakása és az áteresztési sík beállítása a lézerre merőlegesen. A Pockels-cella felhelyezése a minimális sugár-keresztmetszet távolságába. A cella elforgatása az analizátorhoz képest +45°vagy -45° irányba Az egész elrendezés finombeállítása az optimális sugármenet elérésére. A nagyfeszültségű tápegység csatlakoztatása a cellához.
Mérési feladatok 1. Kettőstörés Figyeljük meg a hiperbola-sorozat pozícióját cella egy adott állásánál. Ezután lassan forgassuk a cellát és figyeljük meg az interferencia-minta változását. A szögmérő mutatója a cella optikai tengelyével párhuzamos, és ezzel párhuzamos az első sorozat hiperbola tengelye is. A második sorozat pedig merőleges rá. A maximális kontrasztot akkor érjük el, amikor a polarizációs sík és a cella optikai tengelye 45°-os szöget zár be egymással. Párhuzamos és merőleges állásnál az ernyő sötét marad. 2. Pockels-effektus Állítsuk vissza a cella pozícióját +45°vagy -45°-ra. Kapcsoljuk be a tápegységet, és lassan növeljük a feszültséget. Közben figyeljük az interferencia-minta változását. Helyes polaritásnál az első hiperbola sorozat sötét vonalai a középpont felé mozognak, a második sorozat vonalai távolodnak tőle. Nézzük az első sorozatban a két belső hiperbolát (3. ábra, +1-es vonalak). Ahogy a feszültség nő, húzódnak a középpont felé, miközben a középpont még sötét (U1). Ha tovább nő a
feszültség, a két hiperbola átfordul a második sorozatba és elkezd növekedni. U2 feszültségnél a következő két hiperbola kezd húzódni a középpont felé, majd a következő kettő U3-nál. A különbségek U1,, U2…és U3.között a félhullámhossz feszültség kétszeresei.
3. A félhullámhossz feszültség meghatározása Állítsuk 0V-ra a feszültséget és jelöljük meg az ernyőn a sötét vonalakat egy zöld tollal. Lassan növeljük a feszültséget és jegyezzük fel azokat az U értékeket, amelyeknél világos vagy a sötét vonalak egybeesnek a jelöléseinkkel. Az adott mintánál Uπ ~ 0,5 kV. Ebből kiszámítható, hogy ekkora feszültség mekkora változást okoz a törésmutató –különbségben. ebből
R = λ/2 = d (δno – δne) δno – δne = 16 · 10-16 U (kV)
vonal az ernyőn
0
sötét világos
U (kV) forított polaritás 0
sötét világos sötét Biztonsági előírás A He-Ne laser viszonylag kis teljesítményű, de szembe világítva így is károsodást okoz. Ezért soha ne nézünk bele, ne világítsunk másokra, és tükröző felületek, pl. lencse mozgatásakor ügyeljünk arra, hogy a visszavert fény se veszélyeztessen senkit!
Magnetooptikai effektus A jelenség felfedezése Faraday első kisérleti bizonyítéka volt 1845-ben a mágnesesség és a fény kapcsolatára Ahogy az ábrán látható, egy izotróp anyagot mágneses térbe helyezünk, és a térrel párhuzamosan fényt bocsátunk át rajta, a fény rezgési síkja elfordul, mégpedig az indukcióval arányos mértékben:
=𝑉∙𝐵 ∙𝐿 Ahol: V: a Verdet állandó, (függ a hullámhossztól és a hőmérséklettől), B: a mágneses indukció, L: a mintában a fény úthossza
A kisérlettel demonstrálhatjuk magát a jelenséget valamint a szögelfordulás függését a térerősségtől és a fény hullámhosszától. A mágneses tér inhomogenitása miatt a mérés pontossága korlátozott. A mérést az ábra szerinti elrendezésben végezzük:
Balra: Mérési elrendezés a Faraday effektus bemutatására és jobbra: a mágneses indukció előzetes kalibrálása.
Ellenőrizzük az összeállítást, majd a mintát kivéve kalibráljuk a mágneses teret, a jobb oldali rajz szerint. A mágneses térerősség mérő végét illesszük a két vasmag közé, szimmetrikusan. Állítsunk a tápegységen 5A-t, és olvassuk le a mágneses indukciót. (Ellenőrizzük, hogy ha az érzékelő fejet jobbra balra elmozdítjuk, mennyit változik B értéke!) 10 A áramnál szintén jegyezzük le a B értékét.
Fordítsuk meg a tápegységnél a polaritást, és így is jegyezzük le az 5 és 10 A-hez tartozó B-t. Tegyük helyére a flintüveg hasábot, kapcsoljuk be az egyik LED fényforrást, és az analizátor forgatásával (az ábrán a jobb oldali, a fényút szerinti második polárszűrő) keressük meg a minimális fényáteresztési állást (keresztezett polárszűrők). Kapcsoljuk be a tápegységet, és 5 ill. 10 A-nél állítsuk az analizátort a minimális fényáteresztésre. A szögelfordulás értékeket jegyezzük le! Ismételjük meg a mérést a tápegység fordított polaritása mellett! Cseréljük ki a LED-et egy másik színűre, és az egész mérést így is végezzük el!
I (A) 5 10 -5 -10
B (mT)
kék LED
zöld LED
1
2
