克尔效应是一种当材料的折射率在电场作用下发生变化的现象。克尔效应是由一位名叫约翰-克尔的苏格兰物理学家在1875年发现的，并以他的名字命名。这种效应是一种电光效应，它指的是光和电场之间的相互作用。

当一个强电场在横跨光束的方向上施加在透明物质上时，在它身上会诱发双重折射。因此，材料的折射率随着电场的变化而变化，它表现得像一个晶体，其光轴平行于电场。

图1：克尔盒的工作原理

一般来说，克尔效应可以在所有材料中观察到。但与其他材料相比，一些液体往往表现出更强的克尔效应。表现出克尔效应的材料被称为克尔盒，也被称为克尔电光快门。它采用了克尔效应来中断一束光，每秒可中断1010次。克尔盒的工作原理如图1所示。

克尔盒的工作原理

线性偏振光通过一个含有液体（如硝基苯）的透明壁的cell。从cell中出来的光束被一个与光的偏振方向成90°的分析器所阻挡。

当电场或电压施加在细胞两侧的两块板上时，光束相对于偏振平面呈45°跨过。偏振光束被分离成两个部分：一个平行于电场，一个垂直于电场。从电池中出来的光束是圆偏振的，因为它的两个分量以不同的速度移动并产生相位差。因此，该光束将被分析器部分透射。克尔电池是研究激光和通信技术的有用工具，也可以通过摄影测量瞬时现象中的光速。

克尔效应可以分为两种类型：克尔电光效应，即直流克尔效应，以及光学克尔效应，即交流克尔效应。

克尔电光效应

在克尔电光效应中，当缓慢变化的电场（如提供给电极的电压）施加在样品材料上时，它变得双折射。这意味着，光束通过该材料会引起光相的变化，而光相的变化取决于光的偏振。相位的变化量与施加在电极上的电压的平方成正比。这种效应甚至在不是天然双折射的光学材料中也能诱发双折射。这种材料就可以作为一个可以被电控制的波板。

考虑到在某个路径长度L上的电场强度是恒定的，那么由电场诱导的相位变化由以下几点给出、

其中Δn代表两个极化之间的折射率差异，K是材料的克尔常数，E代表应用的电场强度。

一些液体，如硝基甲苯和硝基苯，具有很高的克尔常数，这意味着它们可以受到外加电场的强烈影响。当这些液体被放置在玻璃电池内时，它们被称为克尔盒。

光学克尔效应

当光产生的电场可以根据光的强度改变折射率时，光学克尔效应就会发生。它的发生不需要外部施加电场。克尔效应是一种瞬时发生的非线性反应，其特点是折射率的改变。高强度光束本身的折射率的改变是根据以下公式发生的

其中n2是非线性折射率，I代表光密度，与电场强度的模数平方成正比。

在非常高的光强度下，克尔效应达到了一个饱和点，这意味着折射率不会再与光强度成比例地增加。此外，甚至可能出现折射率的下降。

克尔效应的应用

克尔效应被用于设计光学开关和调制器，它可以快速控制光在光通信系统中的传输。克尔单元也被用于激光技术中的脉冲整形和Q开关。

它被用来测量超快现象，如介质中的光速或电子电路的响应时间。它也是非线性光学的一个重要工具，它被用来研究非线性光学现象，如四波混合、自相位调制和光孤子。

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