克尔电光效应

定义与物理图像

克尔电光效应（Kerr electro-optic effect）是指某些各向同性的透明介质（典型如非晶体和液体）在外加电场作用下变为光学各向异性，从而出现双折射的现象。介质本身没有外加电场时是光学各向同性的，光沿任何方向传播折射率相同；加上电场后，介质中不同偏振方向的光感受到的折射率不再相同，于是表现出类似单轴晶体的双折射行为。

折射率差与电场的关系

克尔效应引起的双折射大小通常用两个主折射率之差表示：

其中：

• $\mathrm{\Delta }n$ 为电场引起的折射率差（无量纲）；
• $n_{\parallel }$ 为光矢量平行于外加电场方向时的折射率；
• $n_{\perp }$ 为光矢量垂直于外加电场方向时的折射率；
• $K$ 为克尔常数，与介质种类、温度和波长有关，单位通常为 $\mathrm{m}\mathrm{/}{\mathrm{V}}^2$；
• $\lambda$ 为真空中光波长，单位 $\mathrm{m}$；
• $E$ 为外加电场强度，单位 $\mathrm{V}\mathrm{/}\mathrm{m}$。

由该式可见，克尔效应引起的双折射与电场强度的平方成正比，因此又称二次电光效应。这与泡克耳斯效应（一次电光效应，$\mathrm{\Delta }n\propto E$）在电场依赖关系上不同。

相位延迟

在光传播方向垂直于外加电场（横向电场配置）且入射光偏振方向与外加电场成 45°、从而同时激发两个本征偏振分量的条件下，光通过长度为 $L$ 的克尔介质后，这两个正交偏振分量之间产生的相位差为：

其中 $L$ 为光在介质中通过的距离（单位 $\mathrm{m}$），$\mathrm{\Delta }\phi$ 为相位差（单位 $\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}$）。该相位差使入射光的偏振态发生改变：线偏振光可变为椭圆偏振光，在特定条件下可变为圆偏振光或与原方向垂直的线偏振光。

适用条件与说明

• 介质应为在无外场时各向同性的透明介质，如某些液体和非晶体；
• 电场需足够强才能产生可观测的双折射，因此实际应用中常需要较高电压或较长作用长度；
• 克尔常数 $K$ 与介质、温度、波长有关，具体数值需由实验测定，不能由本效应的一般关系式直接给出；
• 上述平方关系描述的是克尔效应主导的情形；若介质同时存在泡克耳斯效应，则总电光效应需同时考虑一次项与二次项。