커 효과

2차 전기 광학(QEO) 효과라고도 불리는 커 효과는 인가된 전기장에 반응하는 물질의 굴절률의 변화입니다.커 효과는 유도 지수 변화가 전기장의 제곱에 선형으로 변화하는 대신 직접 비례한다는 점에서 포켈 효과와 구별된다.모든 물질은 커 효과를 나타내지만, 특정 액체는 다른 물질보다 더 강하게 나타납니다.커 효과는 1875년 스코틀랜드 물리학자 존 ^[1]^[2]^[3]커에 의해 발견되었다.

일반적으로 커 효과의 두 가지 특수한 경우, 즉 커 전기 광학 효과 또는 DC 커 효과와 광학적 커 효과 또는 AC 커 효과가 고려된다.

커 전기 광학 효과

Kerr 전기 광학 효과 또는 DC Ker 효과는 예를 들어 샘플 재료의 전극에 전압을 가함으로써 천천히 변화하는 외부 전기장이 적용되는 특수한 경우입니다.이 영향으로 시료는 복굴절률이 되어 인가된 장에 평행하거나 수직인 빛의 굴절률이 다르다.굴절률의 차이 δn은 다음과 같이 구한다.

\displaystyle \Delta n=\delta KE^{2},\ }

여기서 θ는 빛의 파장, K는 Ker 상수, E는 전기장의 강도입니다.이 굴절률의 차이는 빛이 전기장에 수직인 방향으로 입사할 때 물질이 파형판처럼 작용하게 합니다.재료가 두 개의 "교차된"(수직) 선형 편광자 사이에 배치되면 전계가 꺼질 때 빛이 전송되지 않고 전계의 최적값으로 거의 모든 빛이 전송됩니다.Ker 상수 값이 높을수록 더 작은 전기장으로 완전한 전송을 달성할 수 있습니다.

니트로톨루엔(CHNO₇₇₂)과 니트로벤젠(CHNO₆₅₂)과 같은 극성 액체는 매우 큰 커 상수를 나타낸다.이 액체들 중 하나로 채워진 유리 세포는 커 세포라고 불립니다.Ker 효과가 전기장의 변화에 매우 빠르게 반응하기 때문에, 이것들은 빛을 변조하는 데 자주 사용됩니다.이러한 디바이스에서는, 10 GHz 의 주파수로 빛을 변조할 수 있습니다.커 효과는 상대적으로 약하기 때문에 일반적인 커 셀은 완전한 투명성을 얻기 위해 30kV의 높은 전압을 필요로 할 수 있습니다.이는 훨씬 낮은 전압으로 작동할 수 있는 Pockels 셀과는 대조적입니다.Kerr 세포의 또 다른 단점은 사용 가능한 최고의 물질인 니트로벤젠이 독성이라는 것입니다.일부 투명한 결정들은 커 상수가 더 작지만 커 변조를 위해 사용되어 왔다.

반전 대칭이 결여된 매체에서 커 효과는 일반적으로 훨씬 더 강한 포켈 효과로 가려집니다.그러나 커 효과는 여전히 존재하며, 많은 경우 포클스 효과 ^[4]기여와는 독립적으로 검출될 수 있다.

광커 효과

광학 Ker 효과 또는 AC Ker 효과는 전기장이 빛 자체에 기인하는 경우입니다.이는 빛의 ^[5]국소 방사 강도에 비례하는 굴절률의 변화를 일으킨다.이 굴절률 변동은 자기 초점, 자기 위상 변조 및 변조 불안정성의 비선형 광학 효과를 담당하며 Ker-lens 모델 도킹의 기초가 된다.이 효과는 레이저에서 나오는 빔과 같은 매우 강한 빔에서만 유의하게 됩니다.광커 효과는 또한 멀티 모드 파이버에서 모드 커플링 특성을 동적으로 변화시키는 것으로 관찰되었습니다. 멀티 모드 파이버는 모든 광스위칭 메커니즘, 나노포토닉 시스템 및 저차원 광센서 ^[6]^[7]소자의 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다.

자기 광학 커 효과

자기광학커효과(MOKE)는 자화된 물질에서 반사된 빛이 약간 회전하는 편광면을 갖는 현상이다.이는 투과된 빛의 편광면이 회전하는 패러데이 효과와 유사하다.

이론.

DC Ker 효과

비선형 재료의 경우 전기 편파장 P는 전기장 E에 의존합니다.

\displaystyle \mathbf {P} = \varepsilon _{0}\chi ^{(1):\mathbf {E} +\varepsilon _{0} +\chi ^(3):\mathbf {EEE} +\CDOTs }

여기서 θ는₀ 진공 유전율이고 θ는⁽ⁿ⁾ 매체의 전기 감수성의 n차 성분이다.":" 기호는 행렬 사이의 스칼라 곱을 나타냅니다.이 관계를 명시적으로 쓸 수 있습니다. 벡터 P의 i번째 성분은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

P_{i}=\varepsilon_{0}\sum_{j=1}^{3}\chi_{ij}^{(1)E_{j}+\varepsilon _{0}\sum _{j=1}^{3}\sum _{k=1}^3}\chi _{ijk}^{(2)}E_{j}E_{k}+\varepsilon _{0}\sum _{j=1}^{3}\sum _{l=1}^{3}\chi _{ijkl}^{(3)E_{j}E_{k}E_{l}+\cdots

$i=1,2,3$ 서 i $i=1,2,3$ , $i=1,2,3$ , 3 $({style$ i $=1,2,3$ $P_{1}=P_{x}$ P 1 $=$ $P_{1}=P_{x}$ ({ $style$ P_ ${1$ }= $P_{x$ 즉 편파장의 x에 평행한 $E_{2}=E_{y}$ , E $E_{2}=E_{y}$ $=$ E $({$ 등으로 $E_{2}=E_{y}$ $P_{1}=P_{x}$ 합니다.

선형 매체의 경우, 이 방정식의 첫 번째 항만 유의하며 편광은 전기장에 따라 선형으로 변화합니다.

비멸성 Ker 효과를 나타내는 재료의 경우, 세 번째 δ⁽³⁾ 항은 유의하며, 짝수 항은 일반적으로 Ker 매질의 반전 대칭에 의해 탈락한다.외부 전계₀ E와 함께 주파수 δ의 광파에 의해 생성되는 순 전계 E를 고려한다.

\mathbf {E} =\mathbf {E} _{0}+\mathbf {E} _{\obega}\cos(\obega t),

여기서_ω E는 파형의 벡터 진폭입니다.

이 두 방정식을 결합하면 P에 대한 복소식이 생성됩니다.DC Ker 효과의 경우 $\chi ^{(3)}|\mathbf {E} _{0}|^{2}\mathbf {E} _{\omega }$ 항 및 $\chi ^{(3)}|\mathbf {E} _{0}|^{2}\mathbf {E} _{\omega }$ ( $\chi ^{(3)}|\mathbf {E} _{0}|^{2}\mathbf {E} _{\omega }$ ) E $\chi ^{(3)}|\mathbf {E} _{0}|^{2}\mathbf {E} _{\omega }$ $\chi ^{(3)}|\mathbf {E} _{0}|^{2}\mathbf {E} _{\omega }$ $\chi ^{(3)}|\mathbf {E} _{0}|^{2}\mathbf {E} _{\omega }$ ${\$ {\ $displaystyle \chi$ ^{( $3)}$ \ $mathbf {E} _{0} ^{2}\mathbf {E} _{\mega$ $\chi ^{(3)}|\mathbf {E} _{0}|^{2}\mathbf {E} _{\omega }$ 의 항을 제외한 모든 항을 무시할 수 있습니다.

\displaystyle \mathbf {P} \simeq \varepsilon _{0} \left(\chi ^{(1) + 3\chi ^{(3)} \mathbf {E} _{0} ^{2}\right) \mathbf {E} _{\cos(\mega t),}

이는 편광과 파장의 전계 사이의 선형 관계와 유사하며, 외부 자기장 진폭의 제곱에 비례하는 추가적인 비선형 감수성 항이 있습니다.

비대칭 매체(예: 액체)의 경우, 이러한 유도된 감수성 변화는 전기장 방향의 굴절률 변화를 일으킨다.

\Delta n=\delta da _{0}K \mathbf {E} _{0} ^{2

여기서 θ는₀ 진공 파장이고 K는 매질의 Ker 상수이다.적용된 필드는 필드 방향으로 매체에서 복굴절을 유도합니다.따라서 가로 필드를 가진 Ker 셀은 전환 가능한 파동판으로서 작용하여 이를 통과하는 파동의 편광면을 회전시킬 수 있다.편광기와 조합하여 셔터 또는 변조기로 사용할 수 있습니다.

K 값은 배지에 따라 다르며 물의 ^{[citation needed]}경우 약 9.4×10m⁻¹⁴·V⁻², 니트로벤젠의 ^[8]경우 약 4.4×10m⁻¹²·V이다⁻².

결정의 경우, 매체의 감수성은 일반적으로 텐서가 되며, 커 효과는 이 텐서의 수정을 생성한다.

교류 커 효과

광학 또는 AC커 효과에서는 매질 내의 강렬한 광선이 외부 전계를 인가할 필요 없이 변조 전계를 제공할 수 있다.이 경우, 전계는 다음과 같이 주어진다.

\mathbf {E} = \mathbf {E} _{\obega }\cos(\obega t),

여기서_ω E는 이전과 같은 파형의 진폭입니다.

이것을 편광 방정식과 결합하고 선형 항과 θ⁽³⁾_ω ^[9]^{: 81–82}E의 항만을 취한다.

\displaystyle \mathbf {P} \simeq \varepsilon _{0} \left(\chi ^{(1)} + {\frac {4}} \chi ^{(3)} \mathbf {E} _{2}\right) \mathbf {E} _{\mega } \cos(t)}

이전과 마찬가지로 이는 비선형 항이 추가된 선형 민감도처럼 보입니다.

\displaystyle \chi = \chi _{\mathrm {LIN} + \chi _ {\mathrm {NL} = \chi ^{(1)} + {\frac {3\chi ^{(3)} {4} \mathbf {E} _{\mega } ^{2}

그 이후:

n=(1+\chi)^{1/2}=\left(1+\chi)_{\mathrm {LIN}+\chi_{\mathrm {NL}\right)^{1/2}\sq n_{0}\left(1+{\frac {2{n_0}}}}\mathrmathrmathrm {NL}\chi

여기서₀ n=(1+label_LIN)^1/2은 선형 굴절률이다.δ_NL < n₀² 이후 Taylor 확장을 사용하면 다음과 같은 강도 의존 굴절률(IDRI)을 얻을 수 있다.

{\displaystyle n=n_{0}+{\frac {3\chi ^{(3)}}}{8n_{0}}\mathbf {E}_{\obega }^{2}=n_{0}+n_{2}나

여기서₂ n은 2차 비선형 굴절률, I는 파동의 강도입니다.따라서 굴절률 변화는 매체를 통과하는 빛의 강도에 비례한다.

대부분의₂ 재료에서 n 값은 비교적 작으며, 일반적인 유리의 경우 10mW²⁻¹ 정도 됩니다⁻²⁰.따라서 AC Ker 효과를 통해 굴절률의 유의한 변화를 일으키기 위해서는 약 1GW⁻² cm의 빔 강도(레이저에 의해 생성된 강도 등)가 필요하다.

광학적 커 효과는 매체를 통과할 때 빛의 펄스의 자기 위상 변조, 자기 유도 위상 및 주파수 편이로 일시적으로 나타난다.이 과정은 분산과 함께 광학 솔리톤을 생성할 수 있습니다.

공간적으로 매질 내의 강렬한 빛 빔은 빔의 가로 강도 패턴을 모방하는 매질 굴절률의 변화를 일으킨다.예를 들어 가우스 빔은 경사지수 렌즈의 굴절률 프로파일과 유사한 가우스 굴절률 프로파일을 생성합니다.이로 인해 빔 자체가 초점을 맞추게 되는데, 이는 셀프 포커싱이라고 알려진 현상이다.

빔이 셀프 포커스를 이루면 피크 강도가 증가하여 셀프 포커스가 더 많이 발생합니다.강도가 매우 높아지면 중요해지는 다광자 이온화 등의 비선형 효과에 의해 빔의 자기 초점화가 무한히 방지된다.자기집속점 강도가 일정값 이상으로 높아짐에 따라 고국소광학계에 의해 매체가 이온화된다.이렇게 하면 굴절률이 낮아져 전파되는 광선의 초점이 흐려집니다.그런 다음 전파는 일련의 반복된 포커스 ^[10]및 포커스 해제 단계로 진행됩니다.

「」를 참조해 주세요.

Jeffree 셀, 초기 음향 광학 변조기
필라멘트 전파
핵폭발 사진을 밀리초 미만으로 찍기 위해 커 셀을 사용한 라파트로닉 카메라
광학적 헤테로다인 검출
제만 효과

레퍼런스

^ Weinberger, P. (2008). "John Kerr and his Effects Found in 1877 and 1878" (PDF). Philosophical Magazine Letters. 88 (12): 897–907. Bibcode:2008PMagL..88..897W. doi:10.1080/09500830802526604. S2CID 119771088.
^ Kerr, John (1875). "A new relation between electricity and light: Dielectrified media birefringent". Philosophical Magazine. 4. 50 (332): 337–348. doi:10.1080/14786447508641302.
^ Kerr, John (1875). "A new relation between electricity and light: Dielectrified media birefringent (Second paper)". Philosophical Magazine. 4. 50 (333): 446–458. doi:10.1080/14786447508641319.
^ Melnichuk, Mike; Wood, Lowell T. (2010). "Direct Kerr electro-optic effect in noncentrosymmetric materials". Phys. Rev. A. 82 (1): 013821. Bibcode:2010PhRvA..82a3821M. doi:10.1103/PhysRevA.82.013821.
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₂ZnSnS
₄ nanostructures explored by Lorenz attractors". New Journal of Physics. 20 (2): 023048. Bibcode:2018NJPh...20b3048H. doi:10.1088/1367-2630/aaad41.
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^ Geoffrey New (2011-04-07). Introduction to Nonlinear Optics. Cambridge University Press. ISBN 978-1-139-50076-0.
^ Dharmadhikari, A. K.; Dharmadhikari, J. A.; Mathur, D. (2008). "Visualization of focusing–refocusing cycles during filamentation in BaF₂". Applied Physics B. 94 (2): 259. Bibcode:2009ApPhB..94..259D. doi:10.1007/s00340-008-3317-7. S2CID 122865446.

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외부 링크

초기 텔레비전의 Ker cells(Ker cells에 대한 몇 가지 초기 기사를 보려면 페이지를 아래로 스크롤하십시오.)

[1] Weinberger, P. (2008). "John Kerr and his Effects Found in 1877 and 1878" (PDF). Philosophical Magazine Letters. 88 (12): 897–907. Bibcode:2008PMagL..88..897W. doi:10.1080/09500830802526604. S2CID 119771088.

[2] Kerr, John (1875). "A new relation between electricity and light: Dielectrified media birefringent". Philosophical Magazine. 4. 50 (332): 337–348. doi:10.1080/14786447508641302.

[3] Kerr, John (1875). "A new relation between electricity and light: Dielectrified media birefringent (Second paper)". Philosophical Magazine. 4. 50 (333): 446–458. doi:10.1080/14786447508641319.

[4] Melnichuk, Mike; Wood, Lowell T. (2010). "Direct Kerr electro-optic effect in noncentrosymmetric materials". Phys. Rev. A. 82 (1): 013821. Bibcode:2010PhRvA..82a3821M. doi:10.1103/PhysRevA.82.013821.

[5] Rashidian Vaziri, M R (2015). "Comment on "Nonlinear refraction measurements of materials using the moiré deflectometry"". Optics Communications. 357: 200–201. Bibcode:2015OptCo.357..200R. doi:10.1016/j.optcom.2014.09.017.

[6] Xu, Jing (May 2015). Experimental Observation of Non-Linear Mode Conversion in Few-Mode Fiber (PDF). San Jose. pp. 1–3. Retrieved 24 Feb 2016.

[7] Hernández-Acosta, M A; Trejo-Valdez, M; Castro-Chacón, J H; Torres-San Miguel, C R; Martínez-Gutiérrez, H; Torres-Torres, C (23 February 2018). "Chaotic signatures of photoconductive Cu
₂ZnSnS
₄ nanostructures explored by Lorenz attractors". New Journal of Physics. 20 (2): 023048. Bibcode:2018NJPh...20b3048H. doi:10.1088/1367-2630/aaad41.

[8] Coelho, Roland (2012). Physics of Dielectrics for the Engineer. Elsevier. p. 52. ISBN 978-0-444-60180-3.

[New2011-9] Geoffrey New (2011-04-07). Introduction to Nonlinear Optics. Cambridge University Press. ISBN 978-1-139-50076-0.

[10] Dharmadhikari, A. K.; Dharmadhikari, J. A.; Mathur, D. (2008). "Visualization of focusing–refocusing cycles during filamentation in BaF₂". Applied Physics B. 94 (2): 259. Bibcode:2009ApPhB..94..259D. doi:10.1007/s00340-008-3317-7. S2CID 122865446.

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