克尔效应

2021-02-20 13:44:02 浏览:409

定义

光在介质中的一种瞬时的非线性作用,其与非线性电子极化相关。

当有一个较强的光在玻璃和晶体(以及某些气体)中传播时,就会有克尔效应这种非线性光学效应发生。其物理起源为介质中产生的非线性极化效应,该效应会改变光的传播特性。克尔效应是一个瞬时发生的非线性响应,其可以被简单的描述为对于折射率的影响。对于高功率的光束其造成的折射率的变化为:Kexy01.png

其中n_2为非线性系数,I是光强。介质的n_2的值可以通过z扫描的方法测量得到。需要注意的是,除了克尔效应(纯粹的电子非线性),电致伸缩也会显著地影响非线性系数的测量值[3,4]。电致伸缩效应中光的电场引起的密度变化(声波)会通过光弹性效应影响折射率。以上的这种效应的发生需要一个比较长的时间,因此这种效应只会影响功率调制比较慢的情况,对于超短脉冲没有作用。

对于熔融石英例如石英光纤,其非线性系数约为3×1016cm2/W。由于非线性系数食欲带隙能量相关的,因此对于软玻璃,特别是对于半导体,其非线性系数要大很多。当光子能量大于带隙能量的约70%时,非线性系数通常就会变成负的(造成自散焦现象)。

这种与时间和频率相关的折射率会导致自相位调制和克尔透镜效应,当不同的光束交叠时还会产生交叉相位调制效应。

以上所述的克尔效应是仅对于某一频率而言的,因此其只对较窄光谱带宽有效。对于超短的宽带脉冲,会产生一个偏差,这被称为自陡峭效应。该效应会导致脉冲的峰值处的传播速度(群速度)变慢,也就是说会使得脉冲尾部的斜率变大。这个效应与超连续谱产生密切相关。此外,当光强度非常大时,克尔效应也会达到饱和。

当光强度极强时,折射率的变化将不再随光强的增强而变大,也就是会达到饱和,有时甚至还会出现折射率的减少[5]。这个是由多光子电离的效应导致的,从而造成光功率的损失(由 Kramers–Kronig关系导致的额外相位变化导致 ) [6,7]

非线性极化的延迟(非瞬时)响应不可以简单的描述为折射率的变化。这种效应被称为拉曼散射,该效应并不是克尔效应的一部分。

参考文献

[1] R. H. Stolen and A. Ashkin, “Optical Kerr effect in glass waveguide”, Appl. Phys. Lett. 22, 294 (1973)
[2] M. Sheik-Bahae et al., “Dispersion and band-gap scaling of the electronic Kerr effect in solids associated with two-photon absorption”, Phys. Rev. Lett. 65 (1), 96 (1990)
[3] E. L. Buckland and R. W. Boyd, “Electrostrictive contribution to the intensity-dependent refractive index of optical fibers”, Opt. Lett. 21 (15), 1117 (1996)
[4] E. L. Buckland and R. W. Boyd, “Measurement of the frequency response of the electrostrictive nonlinearity in optical fibers”, Opt. Lett. 22 (10), 676 (1997)
[5] V. Loriot et al., “Measurement of high order Kerr refractive index of major air components”, Opt. Express 17 (16), 13429 (2009)
[6] C. Brée, A. Demircan and G. Steinmeyer, “Saturation of the all-optical Kerr effect”,Phys. Rev. Lett. 106 (18), 183902 (2011)
[7] B. Borchers et al., “Saturation of the all-optical Kerr effect in solids”, Opt. Lett. 37 (9), 1541 (2012)
[8] G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 4th edn., Academic Press, New York (2007)

参阅:克尔透镜、自相位调制、交叉相位调制、非线性、非线性系数、群速度、拉曼散射

非线性光学

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