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
• 別名：克爾效應
• 領域：光學
• 本質：電感應雙折射現象
• 相關名詞：磁光克爾效應

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n₀與n_e，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n_e-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/n_e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的單色光，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E_ω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9.4×10mV。

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

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。折射率差與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。