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。

Effet Kerr: L'effet Kerr est un phénomène de biréfringence créée dans un matériau par un champ électrique. Cela se caractérise par l'existence de deux indices de réfraction différents : un rayon lumineux peut être séparé en deux rayons lorsqu'il entre dans ce matériau. La biréfringence induite varie, contrairement à l'effet Pockels, selon le carré du champ électrique appliqué, c.-à-d. selon son intensité. Les matériaux présentent en général un effet Kerr très peu visible, ce dernier étant plus prononcé dans certains liquides. Cet effet a été découvert en 1875 par le physicien écossais John Kerr.