克爾效應

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更新時間: 2013-08-29

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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,或簡稱克爾效應。

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,以觀察克爾效應。這種裝置稱為克爾盒。這時兩個主要折射率n0與ne,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。
入射光通過克爾盒后,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的單色光,則
克爾效應

  克爾效應

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。
實驗原理
各向同性介質比如玻璃,石蠟,水,硝基苯等,在強電場作用中會表現出各向異性的光學性質,表現出了雙折射現象。折射率差和電場強度的平方成正比,稱之為克爾效應。克爾盒結構如圖所示,在兩平行平板間加高電壓,在電場作用下,因為分子的規律排列,這一些介質就表現出象單軸晶體那樣的光學性質,光軸方向就與電場的方向對應。當線偏振光沿著與電場垂直方向通過介質時,分解成兩束線偏振光。一束光矢量沿著電場方向,另一束的光矢量與電場垂直。
三大效應
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,比如激光。

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。
理論介紹
克爾效應對於非線性材料,電動極化場p只會取決於電場:
克爾效應

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克爾效應

  克爾效應

其中ε0是真空介電常數和χ(N)的是n階的組成部分電力易感性的媒介。該「:」符號代表了標產品之間的矩陣。我們可以寫這種關係明確的i-次組成的向量P可以表示為:
克爾效應

  克爾效應

i=1,2,3。人們常常想當然地磷1=P十,即部分平行為x的極化場;第2=E的y和等等。對於一個線性中期,只有第一次周期內,該方程具有重要意義和不同的線性極化與電場。材料表現出不可忽視的克爾效應,第三,χ(3)長期重要的是,隨著偶數階條件通常輟學由於反演對稱性克爾介質。考慮凈電場é產生的光波頻率ω連同外加電場é0:
克爾效應

  克爾效應

其中Eω是矢量振幅波。
結合這兩個方程產生一個複雜的P的表達。直流克爾效應,我們可以忽略所有的線性除外條款,這是類似的線性關係,兩極化和一個電場的浪潮,另外非線性易感性長期平方成正比的振幅的外部領域。對於非對稱的媒體(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:
克爾效應

  克爾效應

克爾效應

  克爾效應

在λ0是真空波長和K是科爾不斷的媒介。克爾細胞與外地的橫向可作為開關波板,旋轉偏振平面波的穿越它。結合偏振片,它可以被用來作為快門或調製器。
K的值取決於中期和約9.4×10-14米V-2的水,4.4×10-12米的V-2硝基苯。對於晶體,易感性的中期將一般是一個量和克爾效應產生的。
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,加電壓后產生橫向電場。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,在加電場后不到10-9秒內就可完成極化過程,撤去電場后在同樣短的時間內重新變為各向同性。克爾效應的這一種迅速動作性質可用來製造幾乎無慣性的光的開關:光閘,在高速攝影、光速測量和激光技術中獲得了重要應用。
克爾效應實驗
[實驗目的] 演示電致雙折射。
[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。克爾盒的結構如圖所示,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。
[實驗裝置]
如圖所示。
[演示方法]
1.如圖在P1和P2之間放入克爾盒,轉動P1或者P2至消光位置;
2.接通克爾盒的偏轉電源,即可觀察到屏幕上有光亮。改變兩極板之間的電壓,可以觀察到屏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P1或者P2,同樣可以觀察到屏幕上光強變化。
[注意事項]
小心操作,防止電擊!
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,加電壓后產生橫向電場。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,在加電場后不到10-9秒內就可完成極化過程,撤去電場后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、光速測量和激光技術中獲得了重要應用。
相關實驗
1845年,Michael Faraday首先發現了磁光效應,他發現當外加磁場加在玻璃樣品上時,透射光的偏振面將發生旋轉,隨後他加磁場於金屬表面上做光反射的實驗,但由於金屬表面並不夠平整,因而實驗結果不能使人信服。1877年John Kerr在觀察偏振光從拋光過的電磁鐵磁極反射出來時,發現了磁光克爾效應(magneto-optic Kerr effect)。1985年Moog和Bader兩位學者進行鐵磁超薄膜的磁光克爾效應測量,成功地得到一原子層厚度磁性物質的磁滯回線,並且提出了以SMOKE來作為表面磁光克爾效應 (surface magneto-optic Kerr effect)的縮寫,用以表示應用磁光克爾效應在表面磁學上的研究。由於此方法的磁性測量靈敏度可以達到一個原子層厚度,並且儀器可以配置於超高真空系統上面工作,所以成為表面磁學的重要研究方法。
表面磁性以及由數個原子層所構成的超薄膜和多層膜磁性,是當今凝聚態物理領域中的一個極其重要的研究熱點。而表面磁光克爾效應(SMOKE)譜作為一種非常重要的超薄膜磁性原位測量的實驗手段,正受到越來越多的重視。並且已經被廣泛用於磁有序、磁各向異性以及層間耦合等問題的研究。和其他的磁性測量手段相比較,SMOKE具有以下四個優點:
1.SMOKE的測量靈敏度極高。國際上通用的SMOKE測量裝置其探測靈敏度可以達到亞單原子層的磁性。這一點使得SMOKE在磁性超薄膜的研究中有著重要的地位。
2.SMOKE測量是一種無損傷測量。由於探測用的「探針」是激光束,因此不會對樣品造成任何破壞,對於需要做多種測量的實驗樣品來說,這一點非常有利。
3.SMOKE測量到的信息來源於介質上的光斑照射的區域。由於激光光束的束斑可用聚焦到1mm以下,這意味著SMOKE可以進行局域磁性的測量。這一點是其他磁性測量手段諸如振動樣品磁強計和鐵磁共振所無法比擬的。在磁性超薄膜的研究中,樣品的製備是一個周期較長而代價昂貴的過程。有人已經實現在同一塊樣品上按生長時間不同而製備出厚度不等的鍥形磁性薄膜。這樣從一塊樣品上就能夠得到磁學性質隨薄膜厚度變化的信息,可以大大提高實驗效率。無疑,SMOKE的這種局域測量的特點使它成為研究這類不均勻樣品的最好工具。
4.相對於其他的磁性測量手段,SMOKE系統的結構比較簡單,易於和別的實驗設備(特別是超高真空系統)相互兼容。這一點有助於提高它的功能並擴展其研究領域。我們試製的表面磁光克爾效應實驗系統可以和超高真空系統相連,所以既可以完成磁性薄膜在大氣中的SMOKE測量,也可以完成在超高真空中的SMOKE測量實驗。
由於SMOKE能夠達到單原子層磁性檢測的靈敏度,即相當於能夠測量到小於千分之一度的克爾旋轉角。因此,對於光源和檢測手段提出了很高的要求。國際上比較常見的是用功率輸出很穩定的偏振激光器。Bader等人採用的高穩定度偏振激光器,其穩定度小於0.1%。也有用Wollaston稜鏡分光的方法,降低對激光功率穩定度的要求。Chappert等人的方案是將從樣品出射的光經過Wollaston稜鏡分為s和p偏振光,再通過測量它們的比值來消除光強不穩定所造成的影響。但是這種方法的背景信號非常大,對探測器以及后級放大器的要求很高。

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