Efectul Kerr

Efectul Kerr, de asemenea, numit pătratic electro-optic efect (QEO efect),

este o schimbare în indicele de refracție a unui material într-un răspuns la

aplicat câmp electric . Efectul Kerr este diferit de efectul Pockels în faptul că

schimbarea indicele induse este direct proporțională cu pătratul câmpului electric în

loc de a varia liniar cu ea. Toate materialele arată un efect Kerr, dar lichide anumite

afișa mai puternic decât altele. Efectul Kerr a fost descoperit în 1875 de către John

Kerr , un fizician scoțian. 

Două cazuri speciale de efectul Kerr sunt considerate în mod normal, acestea. Fiind

electro-optic Kerr efect, sau efect Kerr DC, si optic Kerr efect, sau efect Kerr AC

Electro-optic Kerr efect

Kerr electro-optic efect, sau efect Kerr DC, este cazul special în care un câmp

electric extern lent variabilă se aplică, de exemplu, o tensiune de pe electrozi din

materialul de eșantion. Sub această influență, eșantionul devine birefringent , cu

indici de refracție diferite pentru lumina polarizata paralel sau perpendicular pe

câmpul aplicat. Diferența în indexul de refracție, Δn, este dat de

în cazul în care λ este lungimea de undă a luminii, K este constanta Kerr , iar E este

intensitatea câmpului electric. Această diferență în indexul de refracție determină

materialul să se comporte ca un waveplate atunci când lumina este incidentă pe o

într-o direcție perpendiculară pe câmpul electric. În cazul în care materialul este

plasat între două "traversat" (perpendicular) liniare polarizatoare , nici o lumină vor

fi transmise când câmpul electric este oprit, in timp ce aproape toată lumina va fi

transmis pentru o anumită valoare optimă a câmpului electric. Valori mai mari ale

constanta Kerr permit transmiterea completă să fie realizate cu un câmp electric

Mod.

Coala № document. Semnat. Data

Coala

2

CPAE 525.1 092 02 LL Elaborat. Pruteanu S.

Controlat Sorochin Gh.

Contr. STAS

.Aprobat

Efectul Kerr

Lit. Coli

UTM FRT, gr. SER-092

aplicat mai mic.

Unele polare lichide, cum ar fi nitrotoluene  (C 7 H 7 NO 2)  și nitrobenzen

(C 6 H 5 NO 2)  prezintă constante foarte mari Kerr. O celulă de sticlă umplut cu una

dintre aceste lichide se numeste o celulă Kerr (fig.1) . 

Fig.1 Schema de observare a efectului Kerr

Acestea sunt frecvent utilizate pentru a modula lumina, deoarece efectul Kerr

răspunde foarte rapid la schimbările din domeniu electric. Lumina poate fi modulata

cu aceste dispozitive la frecvențe de până la 10 GHz . Deoarece efectul Kerr este

relativ slab, un tipic de celule Kerr poate necesita tensiuni la fel de mare ca

30 kV pentru a obține transparență totală. Acest lucru este în contrast cu celule

Pockels , care pot opera la tensiuni mult mai mici. Un alt dezavantaj al celulelor

Kerr este faptul că cel mai bun material disponibil, nitrobenzen, este

otrăvitoare. Unele cristale transparente au fost, de asemenea utilizat pentru

modularea Kerr, deși au constantele mai mici Kerr.

În mass-media care sunt lipsite de simetrie inversiune , efectul Kerr este, în general,

mascat de mult mai puternic efectul Pockels . Efectul Kerr este încă prezent, cu toate

acestea, și, în multe cazuri, pot fi detectate independent de contribuții efectul

Pockels. 

Optic Kerr efect

Efectul optic Kerr, sau Kerr AC efect este cazul în care câmpul electric se

datorează lumina în sine. Acest lucru determină o variație a indicelui de refracție,

care este proporțională cu locală iradierea de lumină. Această variație a indicelui de

refracție este responsabil pentru optice neliniare efectele auto-focalizare , auto-

faza de modulare și de instabilitate modulational , si este baza pentru Kerr-

Mod. Coala

№ document. Semnat. Data

CoalaCPAE 525.1 092 02 LL

lentile modelocking . Acest efect devine semnificativ doar cu fascicule foarte

intense, cum ar fi cele de lalasere .

Magneto-optic Kerr efect

Magneto-optic Kerr efect (MOKE) este fenomenul care lumina reflectata de un

material magnetizat are un plan ușor rotit de polarizare. Acesta este similar

cu efectul Faraday în cazul în care planul de polarizare a luminii transmise este

rotit.

Teoria

DC Kerr efect

Pentru un material neliniar, electric polarizarea P câmp va depinde de

câmpul electric E:

în cazul în care ε 0  este vid permitivitatea și χ (n)  este componenta n-lea ordin

al sensibilității electrice de medie. ":" Simbolul reprezintă produsul scalar dintre

matrici. Putem scrie că relația în mod explicit; componenta i-lea pentru P vector

poate fi exprimat ca:

unde   . Se presupune adesea că   , Adică paralel componenta

la x din domeniul de polarizare;   și așa mai departe.

Pentru un mediu liniar, numai primul termen al acestei ecuații este semnificativă și

polarizarea variază liniar cu câmpul electric.

Pentru materialele care prezintă un non-neglijabil efect Kerr, χ treia,  Termenul este

semnificativă, chiar și cu termenii de ordinul de obicei, ca urmare a abandonului

simetrie inversare a Kerr mediu. Luați în considerare E net câmpului electric produs

de un val de lumină de frecvență ω, împreună cu un câmp electric extern E 0:

în cazul în care ω E este amplitudinea vectorul de undă.

Combinând aceste două ecuații produce o exprimare complexă pentru P. Pentru un

efect DC Kerr, putem neglija toți, cu excepția termenii liniare și cele

din   :

care este similar cu relație liniară între polarizare și un câmp electric de un val, cu

un termen suplimentar de sensibilitate non-lineară proporțională cu pătratul

amplitudinii câmpului extern.

Pentru non-simetrice mass-media (de exemplu, lichide), induse de această schimbare

a sensibilității produce o schimbare în indicele de refracție în direcția câmpului

electric:

în cazul în care λ 0 este vid lungimea de undă și K este constanta Kerr pentru

mediu. Câmp aplicat induce birefringența în mediu în direcția câmpului. O celulă

Kerr, cu un câmp transversal poate acționa astfel ca un comutator placa de val ,

rotirea planului de polarizare a unui val de călătorie prin ea. În combinație cu

polarizatoare, acesta poate fi folosit ca un declanșator sau modulator.

Valorile K depinde de mediu și sunt aproximativ 9,4 × 10 -14 m V -2 pentru apă , și

4.4 × 10 -12 m V -2  pentru nitrobenzen .

Pentru cristale , susceptibilitatea mediu, în general, va fi un tensor , iar efectul Kerr

produce o modificare a acestui tensor.

AC Kerr efect

În efectul optic sau AC Kerr, un fascicul intens de lumina intr-un mediu se poate

oferi câmp electric modulant, fără a fi nevoie pentru un câmp extern care urmează să

fie aplicate. În acest caz, câmpul electric este dat de:

Mod. Coala

№ document. Semnat. Data

CoalaCPAE 525.1 092 02 LL

Mod. Coala

№ document. Semnat. Data

CoalaCPAE 525.1 092 02 LL

în cazul în care ω E este amplitudinea undei ca înainte.

Combinând aceasta cu ecuația de polarizare, și luând doar termenii liniare și cele

din χ (3) | E ω | 3:

Ca și mai înainte, acest lucru arata ca o susceptibilitate liniare cu o suplimentare de

non-liniar termen lung:

și deoarece:

unde n = 0 (1 + χ LIN) 1/2 este indicele de refracție liniară. Folosind o expansiune

Taylor , deoarece χ HU << n 0 2, aceasta dă un indice de refracție în funcție de

intensitate (IDRI) de:

unde n 2 este indicele de refracție de ordinul al doilea neliniare, iar I este intensitatea

undei. Schimbările indicele de refractie este astfel proporțională cu intensitatea

luminii călătorind prin mediu.

Valorile lui n 2 sunt relativ mici pentru majoritatea materialelor, pe ordinea de 10 -

20 m 2 C -1 pentru ochelari tipice. Prin urmare, intensitățile fază ( irradiances ) pe

ordinea de 1 cm GW -2 (cum ar fi cele produse de lasere) sunt necesare pentru a

produce variații semnificative în indice de refracție prin efectul AC Kerr.

Optic efectul Kerr se manifestă temporal ca auto-faza de modulare, o fază-și auto-

induse de frecvență-deplasare a unui puls de lumina ca se deplaseaza printr-un

mediu. Acest proces, împreună cu dispersie , poate produce optice solitonilor .

Spațial, un fascicul intens de lumina intr-un mediu va produce o schimbare în indice

de refracție mediu de care imită modelul intensitatea transversală a fasciculului. De

exemplu, un fascicul Gasiam rezultatele într-un profil Gaussian indicelui de

refracție, similară cu cea a unui obiectiv degrade-index . Acest lucru face ca

fasciculul să se concentreze, un fenomen cunoscut sub numele de auto-focalizare .

Cu faza de auto-concentrează, creșterile de vârf de intensitate, care, la rândul său,

mai multe cauze de auto-focalizare să apară. Grinda este împiedicat de auto-

focalizare la infinit efecte neliniare, cum ar fi de ionizare multiphoton , care devin

importante atunci când intensitatea devine foarte mare. Ca intensitatea crește la fața

locului auto-orientate dincolo de o anumită valoare, mediul este ionizat de domeniul

local de mare optică. Acest lucru reduce indicele de refracție, defocalizării

fasciculului luminos săditor. Propagarea trece apoi într-o serie de focalizare repetate

și defocalizării pași.

Fig. 2. Efect magnetooptic Kerr: а - polar, б - meridional, в - ecuatorial; j – vector nemagnetic, k – vector de unda.

Mod. Coala

№ document. Semnat. Data

CoalaCPAE 525.1 092 02 LL

Dispozitivele cu înregistrare magneticăIstoria ideilor şi a descoperirilor ştiinţificeSCRIS DE ALEXANDRU MIHAI ATIŢOAIE   LUNI, 21 FEBRUARIE 2011 18:29

Gramofon cu precizie (1901).Gramofonul este unul din primele instrumente care înregistrau vocea. Mai târziu, astfel de instrumente au fost realizate cu ajutorul magnetismului, iar acestea sunt trecute în revistă în acest articol pe teme de istorie a tehnologiei, mai precis a instrumentelor cu înregistrare magnetică.Începuturile, încă din antichitate ...Primele observaţii asupra fenomenelor electrice şi  magnetice apar încă din antichitate, studiate de nume cu rezonanţă în istorie, precum Thales din Milet, Democrit, Platon sau Aristotel. Acum 2400 ani, Platon făcea următoarea afirmaţie: “Piatra pe care Euripide a numit-o magnetică şi care este denumită în mod obişnuit a lui Hercule [...] nu atrage numai inelele de fier; ea comunică inelelor o forţă care le dă puterea ce îi aparţine însăşi pietrei, aceea de a atrage alte inele, astfel că se vede uneori un foarte lung lanţ de inele de fier care atârnă unul de altul. Şi forţa lor a tuturor depinde de această piatră.”După celebrele teorii dezvoltate în secolul XVIII de către Coulomb, Volta sau Ohm, în anul 1819, un celebru fizician danez, Hans Christian Oersted, face o descoperire empirică, ce face legătura dintre electricitate şi magnetism, adică naşterea electromagnetismului, efectul magnetic al curentului electric. Un ac magnetic, al unei busole, de exemplu, este deviat în apropierea unui conductor sub tensiune electrică. Această descoperire le oferă şansa unor alţi fizicieni celebri precum Ampère, Faraday sau Maxwell să continue cercetările şi să explice electromagnetismul. Fără aportul lor, casetele audio, video sau discurile magnetice inamovibile (HDD) ar fi fost doar un vis. PionieratulIstoria înregistrărilor începe odată cu telegraful, care datează încă din anul 1809, când fizicianul german Sömmerring inventează telegraful electrochimic. Acesta suferă diverse îmbunătăţiri, pentru ca în anul 1844, Samuel F.B. Morse să transmită  mesajul “What hath God wrought” din Washington până în Baltimore. După 22 ani, telegraful prin cabluri suboceanice era funcţional, legând informaţional continente. Zece ani mai târziu, în 1876, Alexander Graham Bell patentează telefonul, un aparat care transforma undele sonore în impulsuri electrice şi viceversa.După apariţia acestor ultime descoperiri, Thomas Edison reuşeşte în 1877 să inventeze fonograful, aparat care înregistra vibraţiile sonore pe un cilindru acoperit cu o foiţă de cositor sau aluminiu. Charles Summer Tainter va reuşi în 1885 să îmbunătăţească fonograful, construind un grafofon, care, spre deosebire de invenţia lui Edison, imprima  sunetele pe un cilindru de hârtie acoperită cu ceară, un dispozitiv mult mai rezistent în timp. În 1887, Emil Berliner reuşeşte şi el să construiască un dispozitiv asemănător, numit gramofon, care imprima orizontal vibraţiile pe discuri din zinc acoperite cu ceară. Şanţurile obţinute pe discuri puteau fi reimprimate cu ajutorul matriţelor, favorizând producţia în masă. Gramofoanele şi discurile vor fi îmbunătăţite şi vor deveni pickup-urile folosite frecvent în România până acum 20 ani. 

 

Gramofon. Sigla Victor Talking MachineAnul 1898 este un an de referinţă în istoria înregistrărilor magnetice deoarece fizicianul danez Valdemar Poulsen patentează primul aparat bazat pe înregistrare magnetică, telegrafonul. Acesta folosea pentru înregistrarea magnetică şi redarea sunetului un cilindru şi un electromagnet care se rotea în jurul unei sârme de oţel înfăşurate de-a lungul cilindrului, pe care se înregistra. Suportul putea fi reutilizat, iar calitatea înregistrărilor era superioară.

Telegrafonul lui PoulsenAparate de înregistrat cu firSe consideră că „wire recorders” sunt cele care au făcut trecerea între telegrafonul lui Poulsen şi magnetofon, deşi s-au aflat în competiţie o mică perioadă de timp. Apărute în jurul anilor ‘30, apogeul acestor aparate ca număr de vânzări se situează în jurul anilor 1940-50. Acest tip de aparate cu fir precedă apariţia înregistrărilor magnetice pe bandă

audio sau video, venind cu ideea înregistrării prin magnetizarea longitudinală a unui fir confecţionat de regulă din oţel sau oţel inoxidabil. Locul firului de oţel va fi luat în foarte scurt timp de bandă audio şi video. Forme incipiente ale aparatelor de înregistrat cu fir sunt textofonul şi dictafonul, foarte apropiate de telegrafon, dar care, datorită dezvoltării amplificatoarelor în electronică, puteau captura semnale telefonice slabe şi permiteau redarea lor cu un volum mai mare. În plus puteau fi utilizate în dictare şi înregistrare telefonică, mai ales după apariţia robotului telefonic. 

Aparat de înregistrare cu fir

MagnetofonulPrima utilizare publică a magnetofonului, primul aparat care folosea banda magnetică pentru stocarea sunetelor şi muzicii, datează din anul 1935 la Berlin Radio Fair, construcţia lui începând din 1931 de către Fritz Pfleumer şi compania electronică AEG, după ideea lui Oberlin Smith, care nu a reuşit să o şi concretizeze cu 10 ani înainte. Banda magnetică era formată dintr-un material magnetizabil care învelea o fâşie lungă şi îngustă de plastic. O îmbunătăţire semnificativă a magnetofonului se produce când colaborarea se extinde şi cu firma BASF, realizându-se în 1934 peste 50000m de bandă magnetică.O dată cu inovaţiile care priveau difuzoarele şi componentele electronice, în special amplificatoarele, s-a contribuit la dezvoltarea ideii de „HI-FI” (high fidelity), un termen de marketing care reprezenta ideea de componente şi înregistrare care permit reproducerea aproape perfectă a sunetului natural. Firma Magnecord a introdus aparatelor sale şi un al doilea canal audio independent într-o configuraţie identică a difuzoarelor, dând naştere sunetului stereo, adică crearea impresiei de auz al sunetului venit din direcţii diferite, precum se întâmplă şi în cazul auzului natural. CasetofonulCasetofonul este un magnetofon mult evoluat şi îmbunătăţit, cu dimensiuni mai reduse, care în locul bandei magnetice libere folosea casete, adică cele două role cu benzi erau închise într-o carcasă de plastic. Benzile aveau avantajul de a nu mai trebui să fie schimbate. Primul casetofon a fost creat de firma Philips în anul 1963. Acesta avea lăţimea benzii de 0.12 inch la o viteză de aproximativ 4.76 cm/s, destul pentru înregistrarea vocii, dar nu şi pentru muzică, fiind îmbunătăţite în acest sens după 1970. Casetofoanele au fost principala sursă de înregistrare şi redare a muzicii până în anii 1990. Tot în jurul anului 1970, firma Dolby Laboratories dezvolta sistemul Dolby Noise Reduction, care era folosit pentru eliminarea zgomotului la aparatele analogice de înregistrare magnetică precum magnetofoanele şi casetofoanele. Sistemul va avea succes şi în cinematografie, procesoarele Dolby ajutând la redarea stereofonică a sunetului peliculelor rulate.Dezvoltarea înregistrărilor videoSuccesul şi progresul rapid din domeniul înregistrărilor magnetice ale sunetelor a pătruns la fel de eficient şi în industria video, a televiziunii şi cinematografiei. Astfel, în anul 1951, corporaţia Ampex împreună cu Charles Ginsburg au început cercetările în privinţa dezvoltării primului video VTR (Video Tape Recorder) care capta imagini de la camerele video, transformând informaţia în impulsuri electrice şi salvând-o pe bandă

magnetică, fiind cumva omologul magnetofonului. În 1959, Sony începe producerea VTR cu o nouă tehnologie modelată de Toshiba, numită helical scan (în traducere aproximativă scanare elicoidală), care avea avantajul de a înregistra pe bandă magnetică semnale cu bandă largă de frecvenţă. După modelul casetofonului, firma Sony prezintă în 1969 prototipul VCR U-matic (Video Casette Recorder), adică introducerea casetei video. Anii 1970-1980 dezvoltă un adevărat război al formatelor de aparate VCR, purtat între formatul Betamax propus de Sony şi formatul VHS (Video Home System) propus de JVC, timpul şi piaţa păstrând un singur câştigător şi un singur format, VHS. 

Casetă video BetamaxIndustria IT şi era digitalăPrimul computer care a folosit o bandă magnetică pe post de sistem de stocare a fost UNIVAC, în anul 1951. Era digitală îşi are începutul în anul 1962, când semnalul analogic al telefonului a fost încriptat cu o valoare digitală de către Bell Labs, utilizând sistemul PCM (pulse-code modulation). În 1953 MIT instalează prima memorie magnetică de tip core în computerul Whirlwind pentru ca 3 ani mai târziu, în 1956, IBM să vândă primul disc de memorie de tip secundar (hard-disk), denumit RAMAC, acronim pentru Random Access Method of Accounting and Control. Putea stoca 5 milioane de caractere pe 8 biţi şi avea 50 de discuri cu diametrul de 24 inch. O întreagă unitate RAMAC cântarea peste o tonă. Hard disk-urile şi-au mărit treptat capacitatea, în 1980 ajungându-se la primul disk capabil să stocheze 2Gb de memorie, IBM 3380, având o rată de transfer de 3Mb pe secundă şi care cântărea 250Kg. Tendinţa a fost de micşorare a dimensiunilor şi de creştere a capacităţii de stocare şi a vitezei de transfer, în 2009 Western Digital anunţând comercializarea primului hard-disk de 2 Terabiţi.  

Unitate memorie IBM 2311

Alături de hard-diskuri, un alt mediu de stocare s-a dezvoltat pentru a stoca sistemele de operare şi programele, este vorba de discul magnetic flexibil, floppy-disk, format dintr-un mediu magnetic subţire şi flexibil protejat de o carcasă rectangulară de plastic. Acesta a fost inventat de către echipa lui David Noble de la IBM, fiind comercializat pentru prima dată în anul 1971, având un diametru de 8 inch şi stocând 79.7 Kb. În 1976, Shugart Associates introduce primul FDD de 5.25 inch stocând 89.6 Kb, pentru ca formatul să fie standardizat în 1987 cu o capacitate de 1.44Mb. 

Floppy Disk Drive 8 inch Chiar dacă este un disc care foloseşte tehnologii optice de citire-scriere, Compact Discul (DC) este probabil cel mai cunoscut mediu de stocare a informaţiei digitale. Philips introduce conceptul de Compact Disc la o conferinţă în anul 1979, pentru ca primele CD-uri să fie disponibile în anul 1982. Deşi au fost concepute iniţial pentru industria muzicală, conceptual considerat ca fiind succesorul discului gramofonului ca mijloc de a stoca muzica, în scurt timp devine un mediu în care puteau fi stocate orice tip de date, nu doar audio. Mai târziu, medii de stocare derivate, precum DVD-urile, au fost create. Standardizat ca format DVD în 1995, primul DVD-player a fost vândut în Japonia, în 1996.Mediile de stocare şi înregistrare magnetice devin din ce în ce mai mici în dimensiuni dar au capacitaţi din ce în ce mai mari, fiind posibile acum înregistrări audio-video cu telefonul mobil, iar iPod-ul introdus în 2005 de către Apple este utilizat frecvent şi comercializat în milioane de exemplare.