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Lexikon der Geowissenschaften: elektrooptischer Effekt

elektrooptischer Effekt, Änderung der Brechungsindizes eines Kristalls, d.h. Änderung seiner Indikatrix, durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes. Der in Kristallen anisotrope Effekt, auch Pockels-Effekt genannt, wird in erster Ordnung (linearer Effekt) durch die Gleichung:



beschrieben. Die Koeffizienten (χii)-1 sind proportional zu den Hauptachsen der Indikatrix. Also beschreibt die Gleichung die Änderung der Indikatrix durch ein elektrisches Feld. zijk ist ein polarer Tensor 3. Stufe, da er einen Vektor, das elektrische Feld Ek, mit einem Tensor 2. Stufe, der inversen dielektrischen Suszeptibilität (χij)-1, in Beziehung setzt. Dieser Effekt ist daher an Kristallstrukturen der Kristallklassen gebunden, die piezoelektrischen Effekt zeigen, da dieser ebenfalls durch einen polaren Tensor 3. Stufe beschrieben wird.

Die äußerst empfindlichen optischen Meßmethoden erlauben, sehr geringe Änderungen des Brechungsindex zu bestimmen. Piezoelektrische Kristalle werden durch ein elektrisches Feld zusätzlich deformiert, so daß sich dem eigentlichen elektrooptischen Effekt ein sekundärer überlagert, der etwa die gleiche Größenordnung des eigentlichen Effektes besitzt. Wird anstelle eines statischen elektrischen Feldes ein hochfrequentes Wechselfeld mit einer Frequenz weit oberhalb der Resonanzfrequenz des Kristalls gewählt, so bleibt der Kristall undeformiert und der wahre elektrooptische Effekt tritt in Erscheinung. Auch isotrope Medien zeigen einen elektrooptischen Effekt, der unter der Bezeichnung Kerr-Effekt bekannt ist. Dieser Effekt entsteht durch die Anisotropie, die das elektrische Feld in dem isotropen Material erzeugt, nämlich eine dielektrische Polarisation in Richtung des Feldes, d.h. gewisse Gase und Flüssigkeiten werden unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes doppelbrechend. Da in dem linearen Ansatz der Gleichung dieser Einfluß des Feldes nicht berücksichtigt ist – die Koeffizienten zijk beschreiben den Effekt auf ein bereits ohne Feld doppelbrechendes Material –, werden zur Beschreibung des Kerr-Effektes die weiteren Glieder der Potenzreihenentwicklung benötigt:



zijkl besitzt als symmetrischer polarer Tensor 4. Stufe auch für ein isotropes Material nicht verschwindende Komponenten, die sich aus zwei unabhängigen Komponenten zusammensetzen:



Dabei wurde die Matrixschreibweise für totalsymmetrische Tensoren der Stufen s > 2 benützt, d.h. jeder Index steht für einen Doppelindex nach folgender Vorschrift: 1 = 11, 2 = 22, 4 = 23, 32. Für ein Feld

= (E1,0,0) ergibt sich Δ(χ11)-1 = z1111E1E1 und ansonsten Δ(χij)-1 = 0. Die kugelförmige Indikatrix des isotropen Materials wird zu einem Rotationsellipsoid, dessen Zylinderachse parallel zum Feld liegt. Diese Eigenschaft genügt dem Symmetrieprinzip.

Durchstrahlt man eine elektrooptisch aktive Flüssigkeit, z.B. Nitrobenzol, die sich zwischen gekreuzten Polarisatoren befindet, mit Licht, so kann man den zunächst unterbrochenen Lichtstrahl bei Anlegen eines elektrischen Feldes senkrecht zum Lichtstrahl einschalten. Es entsteht nämlich durch Doppelbrechung, außer die Polarisationsrichtung liegt parallel zu den Hauptachsen der Indikatrix, i.a. elliptisch polarisiertes Licht, das die gekreuzten Polarisatoren durchdringt. Eine solche Anordnung nennt man Kerr-Zelle. [KH]

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