克爾電光效應

指與電場二次方成正比的電感應雙折射現象。放在電場中的物質,由於其分子受到電力的作用而發生取向(偏轉),呈現各向異性,結果產生雙折射,即沿兩個不同方向物質對光的折射能力有所不同。 這一現象是1875年J.克爾發現的。後人稱它為克爾電光效應,簡稱克爾效應。

基本介紹

  • 中文名:克爾電光效應
  • 外文名:Kerr electro-optic effect
  • 領域:光學
  • 別稱:克爾效應
  • 本質電感應雙折射現象
  • 相關名詞:磁光克爾效應
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簡介

在外電場作用下,液體就成為光學上的單軸晶體,其光軸同電場方向平行。通常的作法是:把液體裝在玻璃容器中,外加電場通過平行板電極作用在液體上,光垂直於電場方向通過玻璃容器,以觀察克爾電光效應。這種裝置稱為克爾盒。這時兩個主要折射率n0ne,分別稱為正常與反常折射率。容器中的液體稱為正或負雙折射物質,取決於ne-n0值的為正或負。
入射光通過克爾盒後,分裂成兩個分別以相速с/n0與с/ne傳播的線偏振光(с是真空中的光速),其偏振方向(電矢量方向)分別與外加電場垂直或平行。相速之差引起這兩個偏振光之間的相位差δ。如果入射光是波長為λ0單色光,則
式中x是光通過電場作用下媒質的程長,即平行板電極的長度。

理論介紹

克爾電光效應對於非線性材料,電動極化場p只會取決於電場:
其中ε0是真空介電常數
是電極化率的n階的組成部分。“:”符號代表了矩陣之間的內積。我們可以更明確的描述這種關係,第i次組成的向量P可以表示為:
式中,i=1,2,3。通常假設
,即部分平行為x的極化場;
等等。
材料表現出不可忽視的克爾電光效應,第三個術語
是很重要的。考慮由光波頻率是ω的淨電場
以及外加電場
其中Eω是矢量振幅波。
結合這兩個方程產生一個複雜的表達。直流克爾效應,我們可以忽略所有的線性術語,這是類似的線性關係,兩極化和一個電場。對於非對稱的媒介(例如液體),這引起變化的敏感性產生變化折射率的方向電場:
λ0是真空波長,K是克爾常數。結合偏振片,它可以被用來作為快門或調製器。
K的值取決於媒介,並且大約為9.4×10-14mV-2

三大效應

克爾效應

也稱為二次電光(QEO)效應的克爾效應是材料回響於所施加的電場的折射率的變化。 克爾效應與普克爾效應不同,因為誘導的指數變化與電場的平方成正比,而不是線性變化。 所有材料顯示克爾效應,但某些液體比其他液體顯示更強烈。 克爾效應於1875年被蘇格蘭物理學家約翰·克爾(John Kerr)發現。
通常考慮克爾效應的兩種特殊情況,這些都是克爾電光效應或克爾效應。
例如,電壓在電極材料的影響下的套用領域,材料成為雙折射,不同指標的折射光偏振平行或垂直套用領域。在不同的折射率,Δn是由
克爾電光效應克爾電光效應
其中λ是光的波長,K是克爾常數,E是電場的強度。 當光線垂直於電場的方向入射到其上時,折射率的這種差異導致材料像波片一樣起作用。 如果材料放置在兩個“交叉”(垂直)線性偏振器之間,當電場關閉時不會發出光,而幾乎所有的光將被傳輸到電場的一些最佳值。 克爾常數的較高值允許通過較小的施加電場實現完整的傳輸。
一些極性液體,如硝基甲苯和硝基苯表現出非常大的克爾常數。 填充有這些液體之一的玻璃電池稱為克爾電池。 這些常用於調製光,因為克爾效應對電場的變化非常快。 這些設備的光可以在高達10GHz的頻率下進行調製。 由於克爾效應相對較弱,典型的克爾電池可能需要高達30kV的電壓才能實現完全透明。 這與Pockels電池相反,Pockels電池可以在更低的電壓下工作。 克爾細胞的另一個缺點是最好的可用材料硝基苯是有毒的。 一些透明晶體也被用於克爾調製,儘管它們具有較小的克爾常數。
在缺乏反轉對稱性的媒體中,克爾效應通常被更強大的普克爾效應掩蓋。 然而,克爾效應仍然存在,並且在許多情況下可以獨立於普克爾效應貢獻來檢測。

光學克爾效應

光學克爾效應,或AC克爾效應是指其電場由光本身所產生的情況。這導致變異的折射率與輻射光本身的輻照度成正比。這種折射率的變化導致了的非線性光學效應的自聚焦自相位調製以及調製不穩定性,並且是克爾透鏡鎖模的基礎。此效應僅在非常強烈的光束下才能較明顯的表現出來,比如雷射。

磁光克爾效應

在磁光克爾效應,根據反映的磁材料具有輕微旋轉偏振平面。它類似於法拉第效應下的兩極分化的透光旋轉。

克爾效應實驗

實驗原理

各向同性的介質如玻璃,石蠟,水,硝基苯等,在強電場作用下會表現出各向異性的光學性質,表現出雙折射現象。折射率差電場強度的平方成正比,稱為克爾效應。在兩平行平板之間加上高電壓,在電場作用下,由於分子的規律排列,這些介質就表現出象單軸晶體那樣的光學性質,光軸的方向就與電場的方向對應。當線偏振光沿著與電場垂直的方向通過介質時,分解為兩束線偏振光。一束的光矢量沿著電場方向,另一束的光矢量與電場垂直。

方法

1.放入克爾盒,並轉動至消光位置;
2.接通克爾盒的偏轉電源,即可觀察到螢幕上有光亮。改變兩極板之間的電壓,可以觀察到螢幕上的光強會隨之變化;
3.保持兩極板之間的電壓不變,旋轉克爾盒,同樣可以觀察到螢幕上光強變化。

注意事項

內盛某種液體(如硝基苯)的玻璃盒子稱為克爾盒,盒內裝有平行板電容器,加電壓後產生橫向電場。克爾盒放置在兩正交偏振片之間。無電場時液體為各向同性,光不能通過P2。存在電場時液體具有了單軸晶體的性質,光軸沿電場方向,此時有光通過P2(見偏振光的干涉)。實驗表明 ,在電場作用下,主折射率之差與電場強度的平方成正比。電場改變時,通過P2的光強跟著變化,故克爾效應可用來對光波進行調製。液體在電場作用下產生極化,這是產生雙折射性的原因。電場的極化作用非常迅速,在加電場後不到10-9秒內就可完成極化過程,撤去電場後在同樣短的時間內重新變為各向同性。克爾效應的這種迅速動作的性質可用來製造幾乎無慣性的光的開關——光閘,在高速攝影、光速測量和雷射技術中獲得了重要套用。

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