Введение

Изменение показателя преломления материала в ответ на приложенное электрическое поле – нелинейный оптический эффект Керра.

Эффект Керра, также называемый эффектом квадратичной электрооптики (QEO), представляет собой изменение показателя преломления материала под воздействием приложенного электрического поля. Эффект Керра отличается от эффекта Покельса тем, что вызванное изменение показателя преломления в эффекте Керра прямо пропорционально квадрату напряженности электрического поля, а не изменяется линейно с ней. Все материалы демонстрируют эффект Керра, но в некоторых жидкостях он проявляется сильнее, чем в других. Эффект Керра был открыт в 1875 году шотландским физиком Джоном Керром. Обычно рассматриваются два частных случая эффекта Керра: электрооптический эффект Керра, или эффект Керра постоянного тока, и оптический эффект Керра, или эффект Керра переменного тока.

Электрооптический эффект Керра

Электрооптический эффект Керра, или эффект Керра постоянного тока, – это частный случай, когда медленно изменяющееся внешнее электрическое поле прикладывается, например, напряжением на электродах к образцу. Под этим воздействием образец становится двулучепреломляющим, с различными показателями преломления для света, поляризованного параллельно или перпендикулярно приложенному полю. Разность показателей преломления Δn определяется выражением:

где λ – длина волны света, K – постоянная Керра, а E – напряженность электрического поля. Эта разность показателей преломления приводит к тому, что материал действует как пластинка четвертьволновой задержки, когда свет падает на него в направлении, перпендикулярном электрическому полю. Если материал помещен между двумя «перекрестными» (перпендикулярными) линейными поляризаторами, свет не будет проходить, когда электрическое поле выключено, в то время как почти весь свет будет проходить при некотором оптимальном значении электрического поля. Более высокие значения постоянной Керра позволяют достичь полной передачи при меньшем приложенном электрическом поле. Некоторые полярные жидкости, такие как нитротолуол (C7H7NO2) и нитробензол (C6H5NO2), демонстрируют очень большие постоянные Керра. Стеклянная ячейка, заполненная одной из этих жидкостей, называется ячейкой Керра. Они часто используются для модуляции света, поскольку эффект Керра очень быстро реагирует на изменения электрического поля. С помощью этих устройств можно модулировать свет на частотах до 10 ГГц. Поскольку эффект Керра относительно слаб, типичная ячейка Керра может требовать напряжения до 30 кВ для достижения полной прозрачности. Это в отличие от ячеек Покельса, которые могут работать при гораздо более низких напряжениях. Другой недостаток ячеек Керра заключается в том, что лучший доступный материал, нитробензол, ядовит. Некоторые прозрачные кристаллы также использовались для Керровской модуляции, хотя они имеют меньшие постоянные Керра. В средах, лишенных инверсионной симметрии, эффект Керра обычно маскируется гораздо более сильным эффектом Покельса. Однако эффект Керра все же присутствует и во многих случаях может быть обнаружен независимо от вклада эффекта Покельса.

Оптический эффект Керра

Оптический эффект Керра, или эффект Керра переменного тока, – это случай, когда электрическое поле обусловлено самим светом. Это вызывает изменение показателя преломления, которое пропорционально локальной освещенности света. Это изменение показателя преломления является причиной нелинейных оптических эффектов, таких как самофокусировка, самофазовая модуляция и модуляционная неустойчивость, и лежит в основе моделирования линз Керра. Этот эффект становится заметным только при очень интенсивных пучках, например, от лазеров. Также было обнаружено, что оптический эффект Керра динамически изменяет свойства связывания мод в многомодовом волокне, что представляет собой метод с потенциальными применениями для полностью оптических механизмов переключения, нанофотонных систем и фотосенсорных устройств низкой размерности.

Магнитооптический эффект Керра

Магнитооптический эффект Керра (MOKE) — это явление, при котором плоскость поляризации света, отраженного от намагниченного материала, незначительно поворачивается. Оно аналогично эффекту Фарадея, при котором происходит поворот плоскости поляризации прошедшего света.