克爾效应

title: 克尔电光效应.
content: 克尔电光效应又称为「直流克尔效应」。假设施加缓慢外电场于物质样品,即在连结样品两端的电极之间施加电压,在这影响下,样品会变为具有双折射性质,对于光波的偏振平面平行与垂直于外电场的两种方向,会出现不同的折射率,其差值formula_1为  其中,formula_3是光波的波长,formula_4是「克尔常数」,formula_5是电场。  假设光波入射于样品的方向垂直于外电场,则折射率的不同会使得这样品的物理性质类似波片(waveplate)。假若置放物质于两块正交偏振片之间(请参阅条目偏光仪(polariscope)),当设定外电场为零之时,不会有任何光波透射过这两块正交偏振片;但当设定外电场为某最佳值之时,几乎全部光波会透射过这两块正交偏振片。  某些极性液体,例如一硝基甲苯(CHNO)、硝基苯(CHNO),会展示出很大的克尔常数。「克尔盒」指的是装满了这种液体的小盒。因为克尔效应对于电场变化的响应速度很快,克尔盒时常被用来调制光波,频率可高达10 GHz,可以用来制作电控光开关,在高速摄影、激光通讯方面很有用处,是未来光联网的重要技术。;由于克尔效应相当微弱,典型的克尔盒需要电压高达30 kV才能达到完全透明。泡克耳斯效应的工作电压比这低很多。克尔盒的另一大缺点是制作材料硝基苯具有毒性。克尔盒光调制器也可以采用某些透明晶体为克尔效应材料,虽然他们的克尔常数较小。  在有些缺乏反演对称性的介质里,克尔效应通常会被更强劲的泡克耳斯效应屏蔽;但是,克尔效应仍旧存在,时常可以独立地被探测到,不论泡克耳斯效应的贡献有多强劲。
title: 克尔光学效应.
content: 克尔光学效应又称为「交流克尔效应」。在克尔光学效应里,光波本身的电场造成了折射率的改变,这改变与光波的局域辐照度有关。折射率的变化促成了自聚焦(self-focusing)、自调相(self-phase modulation)、调制不稳定性(modulational instability)的非线性光学效应,是克尔透镜锁模技术(Kerr-lens modelocking)的基础机制。只有当光束非常强劲时,这效应才会变得很显著,例如,激光所产生的激光束。
title: 磁光克尔效应.
content: 在磁光克尔效应里,从磁性物质反射出来的光波,其偏振平面会稍微偏转。这效应与法拉第效应类似,在法拉第效应里,透射光的偏振平面会稍微偏转。
title: 理论.
title: 直流克尔效应.
content: 在介质里,电极化向量formula_6与电场formula_7的关系为  其中,formula_9是电常数,formula_10是介质的第n阶电极化率张量。  这是个张量公式。采用直角坐标系,x坐标、y坐标、z坐标分别以下标1、2、3代表,这公式表示为  在这公式的右手边,第一项是介质的线式响应,所产生的电极化向量与电场成正比;第二项给出了泡克耳斯效应;第三项给出了直流克尔效应。对于展示出不可忽略的克尔效应的物质,第三项很重要。经过一番运算,第三项以方程序表示为  在这公式里,物理量右边圆括号内的角频率表示这物理量必须具有的角频率数值,否则,整个乘积为零。第3阶电极化率张量formula_13有3=81个分量,假设介质为结构各向同性,则由于对称性,只会有21 个非零分量,分为4种数值:  其中,下标formula_18、formula_19、formula_20的数值可以是1、2或3,但是formula_21。  设想外电场formula_22的方向为formula_23:  光波的的传播方向为formula_25,光波的电场为  两个电场合并为  则所有涉及到z-坐标的分量都可以被忽略,  将这电场代入第三项,可以得到电极化向量的第三项部分,其x-分量、y-分量分别为  由于直流电场的作用,朝着x、y两个方向的电极化向量造成了折射率不同,因此产生双折射现象:  其中,formula_31、formula_32是偏振光的偏振平面与直流电场分别平行、垂直时传播于介质的折射率,formula_33是当没有直流电场时传播于介质的折射率。  因此,可以将介质的克尔常数定义为  其中,formula_35是光波传播于自由空间的波长。
title: 交流克尔效应.
content: 在交流克尔效应里,传播于介质的光波,假若辐照度够强劲,就可以自己提供调制电场,不需要施加外电场。对于这案例,假设偏振光的电场为  其中,formula_37是光波的波幅。  将这公式代入偏振方程序,只取线性项与第三项,可以得到  这像是个线性项和额外的非线性项总和在一起的电极化率:  由于折射率为  其中,formula_41是线性折射率。  由于formula_42,应用泰勒展开,可以得到与辐射度有关的折射率:  其中,formula_44是二次非线性折射率,formula_45是光波的辐照度。  对于这光波传播于介质的案例,折射率的变化与光波的辐照度成正比。  大多数介质的formula_44相当微小,一般玻璃的formula_44大约为10 m W。因此,光波的辐射度至少必须为1 GW cm才能使得折射率通过交流克尔效应产生显著变化。  与辐射度有关的折射率是一种非常重要的三次过程,又分为空间调制与时间调制两种过程。空间调制过程可以改变光束的传播。时间调制可以改变光波的波幅与相位结构。  借着空间调制折射率,传播于介质的强劲光束会改变这介质的折射率,这改变的图样模仿光束的横向辐照度图样。例如,高斯光束会造成高斯折射率剖面,类似渐变折射率透镜(gradient-index lens)所产生的效应;越接近光束的中间区域,折射率越高;越接近边缘区域,折射率越低。由于介质折射率被改变,使得光束在介质内自动聚焦,这现象称为自聚焦(self-focus)。  由于光束的自聚焦,峰值辐照度会增加,因此又更加自聚焦。假若这效应赢过了对抗的衍射,则自聚焦会成为主导物理机制,光束会变得越来越狭窄,这时,假若操作不当,则会造成光束塌缩灾难,从而损毁介质。  自聚焦与衍射彼此对抗抵销,这意味着,对于每一种介质,存在一个阈值,只要辐照度不超过这阈值,就不会发生损毁。但是,另一种称为「小尺寸自聚焦」的现象,会造成局域热点与光束丝状形成。为了避免这类问题出现于激光系统,通常,会先使用空间过滤器将光束波前的粗燥部分加以平滑。

Summary: 克尔效应(Kerr effect),也称「二次电光效应」,是物质因响应外电场的作用而改变其折射率的一种效应。克尔效应与泡克耳斯效应不同,前者感应出的折射率改变与外电场平方成正比,后者则与外电场成线性关系;前者可以在液体或非晶物质出现,后者只出现于没有对称中心的晶体物质。克尔效应或多或少会出现在每一种物质,但在某些液体会比较显著。这效应最先由苏格兰科学家约翰·克尔(John Kerr)在1878年发现。

Kerr-Effekt: Der elektrooptische Kerr-Effekt, auch Kerr-Effekt (nach John Kerr, der ihn 1875 entdeckte) oder quadratischer elektrooptischer Effekt, ist ein nichtlinearer Spezialfall des allgemeinen elektrooptischen Effekts. Dieser beschreibt die Änderung der optischen Eigenschaften eines Materials durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes; der lineare Spezialfall des elektrooptischen Effekts ist der Pockels-Effekt.