केर प्रभाव

This article is about the Kerr nonlinear optical effect. For the magneto-optic phenomenon of the same name, see magneto-optic Kerr effect.

केर प्रभाव, जिसे क्वाड्रैटिक इलेक्ट्रो-ऑप्टिक (क्यूईओ) प्रभाव भी कहा जाता है, एक लागू विद्युत क्षेत्र के जवाब में सामग्री के अपवर्तक सूचकांक में परिवर्तन है। केर प्रभाव पॉकल्स प्रभाव से अलग है जिसमें प्रेरित सूचकांक परिवर्तन इसके साथ रैखिक रूप से भिन्न होने के बजाय विद्युत क्षेत्र के वर्ग के सीधे आनुपातिक है। सभी सामग्री केर प्रभाव दिखाती हैं, लेकिन कुछ तरल पदार्थ इसे दूसरों की तुलना में अधिक मजबूती से प्रदर्शित करते हैं। केर प्रभाव की खोज 1875 में स्कॉटिश भौतिक विज्ञानी जॉन केर (भौतिक विज्ञानी) ने की थी। केर प्रभाव के दो विशेष मामलों पर आम तौर पर विचार किया जाता है, ये केर इलेक्ट्रो-ऑप्टिक प्रभाव, या डीसी केर प्रभाव और ऑप्टिकल केर प्रभाव या एसी केर प्रभाव हैं।

केर इलेक्ट्रो-ऑप्टिक प्रभाव

केर इलेक्ट्रो-ऑप्टिक प्रभाव, या डीसी केर प्रभाव, एक विशेष मामला है जिसमें एक धीरे-धीरे बदलते बाहरी विद्युत क्षेत्र को लागू किया जाता है, उदाहरण के लिए, नमूना सामग्री में इलेक्ट्रोड पर एक वोल्टेज। इस प्रभाव के तहत, नमूना प्रकाश ध्रुवीकरण (तरंगों) के लिए अपवर्तन के विभिन्न सूचकांकों के साथ, लागू क्षेत्र के समानांतर या लंबवत हो जाता है। अपवर्तन के सूचकांक में अंतर, Δn, द्वारा दिया गया है

$\Delta n=\lambda KE^{2},\$

जहां λ प्रकाश की तरंग दैर्ध्य है, केर स्थिरांक है, और ई विद्युत क्षेत्र की ताकत है। अपवर्तन के सूचकांक में यह अंतर सामग्री को एक वेवप्लेट की तरह कार्य करने का कारण बनता है जब प्रकाश उस पर विद्युत क्षेत्र के लंबवत दिशा में आपतित होता है। यदि सामग्री को दो पार (लंबवत) रैखिक ध्रुवीकरणकर्ताओं के बीच रखा जाता है, तो विद्युत क्षेत्र बंद होने पर कोई प्रकाश प्रेषित नहीं होगा, जबकि लगभग सभी प्रकाश विद्युत क्षेत्र के कुछ इष्टतम मूल्य के लिए प्रेषित होंगे। केर स्थिरांक के उच्च मान एक छोटे से लागू विद्युत क्षेत्र के साथ पूर्ण संचरण प्राप्त करने की अनुमति देते हैं।

कुछ ध्रुवीय अणु तरल पदार्थ, जैसे नाइट्रोटोल्यूनि (सी₇H₇नहीं₂) और nitrobenzene (सी₆H₅नहीं₂) बहुत बड़े केर स्थिरांक प्रदर्शित करते हैं। इन तरल पदार्थों में से एक से भरे ग्लास सेल को केर सेल कहा जाता है। इन्हें अक्सर मॉडुलन प्रकाश के लिए उपयोग किया जाता है, क्योंकि केर प्रभाव विद्युत क्षेत्र में परिवर्तनों के लिए बहुत तेज़ी से प्रतिक्रिया करता है। इन उपकरणों के साथ 10 गीगाहर्ट्ज़ तक की उच्च आवृत्तियों पर प्रकाश को संशोधित किया जा सकता है। क्योंकि केर प्रभाव अपेक्षाकृत कमजोर है, पूर्ण पारदर्शिता प्राप्त करने के लिए एक सामान्य केर सेल को 30 किलोवोल्ट तक के उच्च वोल्टेज की आवश्यकता हो सकती है। यह पॉकल्स कोशिकाओं के विपरीत है, जो बहुत कम वोल्टेज पर काम कर सकता है। केर कोशिकाओं का एक और नुकसान यह है कि सबसे अच्छी उपलब्ध सामग्री, नाइट्रोबेंजीन, जहरीली होती है। केर मॉड्यूलेशन के लिए कुछ पारदर्शी क्रिस्टल का भी उपयोग किया गया है, हालांकि उनके पास छोटे केर स्थिरांक हैं।

मीडिया में जिसमें व्युत्क्रम समरूपता की कमी होती है, केर प्रभाव आम तौर पर बहुत मजबूत पॉकल्स प्रभाव से ढंका होता है। केर प्रभाव अभी भी मौजूद है, हालांकि, और कई मामलों में स्वतंत्र रूप से पॉकल्स प्रभाव योगदान का पता लगाया जा सकता है।

ऑप्टिकल केर प्रभाव

ऑप्टिकल केर प्रभाव, या एसी केर प्रभाव वह मामला है जिसमें विद्युत क्षेत्र स्वयं प्रकाश के कारण होता है। यह अपवर्तन के सूचकांक में भिन्नता का कारण बनता है जो प्रकाश के स्थानीय विकिरण के समानुपाती होता है। यह अपवर्तक सूचकांक भिन्नता आत्म ध्यान केंद्रित, स्व-चरण मॉडुलन और मॉडुलन संबंधी अस्थिरता के अरैखिक प्रकाशिकी प्रभावों के लिए जिम्मेदार है, और केर-लेंस मॉडलिंग का आधार है। यह प्रभाव केवल बहुत तीव्र बीम जैसे लेज़र ों के साथ महत्वपूर्ण हो जाता है। ऑप्टिकल केर प्रभाव को मल्टी-मोड ऑप्टिकल फाइबर में मोड-युग्मन गुणों को गतिशील रूप से बदलने के लिए भी देखा गया है, एक ऐसी तकनीक जिसमें सभी ऑप्टिकल स्विचिंग तंत्र, नैनोफोटोनिक सिस्टम और कम-आयामी फोटो-सेंसर उपकरणों के लिए संभावित अनुप्रयोग हैं।

मैग्नेटो-ऑप्टिक केर प्रभाव

Main article: Magneto-optic Kerr effect

मैग्नेटो-ऑप्टिक केर प्रभाव (MOKE) वह घटना है जिसमें चुंबकीय सामग्री से परावर्तित प्रकाश में ध्रुवीकरण का थोड़ा घुमाया हुआ तल होता है। यह फैराडे प्रभाव के समान है जहां संचरित प्रकाश के ध्रुवीकरण के तल को घुमाया जाता है।

सिद्धांत

डीसी केर प्रभाव

एक अरेखीय सामग्री के लिए, ध्रुवीकरण (इलेक्ट्रोस्टैटिक्स) क्षेत्र P विद्युत क्षेत्र E पर निर्भर करेगा:

$\mathbf {P} =\varepsilon _{0}\chi ^{(1)}:\mathbf {E} +\varepsilon _{0}\chi ^{(2)}:\mathbf {EE} +\varepsilon _{0}\chi ^{(3)}:\mathbf {EEE} +\cdots$

जहां ई₀ वैक्यूम परावैद्युतांक और χ है⁽ⁿ⁾ माध्यम की विद्युत संवेदनशीलता का n-वां क्रम घटक है।

प्रतीक मैट्रिसेस के बीच स्केलर उत्पाद का प्रतिनिधित्व करता है। हम उस संबंध को स्पष्ट रूप से लिख सकते हैं; सदिश P के i-वें घटक को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

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

कहाँ $i=1,2,3$. अक्सर ऐसा माना जाता है $P_{1}=P_{x}$, यानी ध्रुवीकरण क्षेत्र के एक्स के समानांतर घटक; $E_{2}=E_{y}$ और इसी तरह।

एक रेखीय माध्यम के लिए, इस समीकरण का केवल पहला शब्द महत्वपूर्ण है और ध्रुवीकरण विद्युत क्षेत्र के साथ रैखिक रूप से भिन्न होता है।

गैर-नगण्य केर प्रभाव प्रदर्शित करने वाली सामग्रियों के लिए, तीसरा, χ⁽³⁾ शब्द महत्वपूर्ण है, सम-क्रम की शर्तों के साथ आमतौर पर केर माध्यम के व्युत्क्रम समरूपता के कारण समाप्त हो जाता है। एक बाहरी विद्युत क्षेत्र E के साथ आवृत्ति ω की एक प्रकाश तरंग द्वारा उत्पादित शुद्ध विद्युत क्षेत्र E पर विचार करें₀:

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

जहां ई_ω तरंग का वेक्टर आयाम है।

इन दो समीकरणों को मिलाने से पी के लिए एक जटिल अभिव्यक्ति उत्पन्न होती है। डीसी केर प्रभाव के लिए, हम रैखिक शर्तों और उन सभी को छोड़कर सभी की उपेक्षा कर सकते हैं $\chi ^{(3)}|\mathbf {E} _{0}|^{2}\mathbf {E} _{\omega }$:

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

जो ध्रुवीकरण और एक तरंग के विद्युत क्षेत्र के बीच रैखिक संबंध के समान है, बाहरी क्षेत्र के आयाम के वर्ग के आनुपातिक अतिरिक्त गैर-रैखिक संवेदनशीलता अवधि के साथ।

गैर-सममित मीडिया (जैसे तरल पदार्थ) के लिए, संवेदनशीलता के इस प्रेरित परिवर्तन से विद्युत क्षेत्र की दिशा में अपवर्तक सूचकांक में परिवर्तन होता है:

$\Delta n=\lambda _{0}K|\mathbf {E} _{0}|^{2},$

जहां एल₀ निर्वात तरंग दैर्ध्य है और K माध्यम के लिए केर स्थिरांक है। लागू क्षेत्र क्षेत्र की दिशा में माध्यम में द्विअपवर्तन को प्रेरित करता है। अनुप्रस्थ क्षेत्र के साथ एक केर सेल इस प्रकार एक स्विचेबल तरंग प्लेट के रूप में कार्य कर सकता है, जो इसके माध्यम से यात्रा करने वाली तरंग के ध्रुवीकरण के विमान को घुमाता है। पोलराइज़र के संयोजन में, इसे शटर या न्यूनाधिक के रूप में उपयोग किया जा सकता है।

K का मान माध्यम पर निर्भर करता है और लगभग 9.4×10 है^-14 मी वाल्ट ⁻² पानी के लिए, और 4.4×10^{−12</सुप> एम·वी-2 नाइट्रोबेंजीन के लिए। क्रिस्टल के लिए, माध्यम की संवेदनशीलता सामान्य रूप से एक टेन्सर होगी, और केर प्रभाव इस टेन्सर के एक संशोधन का उत्पादन करता है।}

एसी केर प्रभाव

ऑप्टिकल या एसी केर्र प्रभाव में, एक माध्यम में प्रकाश की एक तीव्र किरण स्वयं मॉड्यूलेटिंग विद्युत क्षेत्र प्रदान कर सकती है, बिना किसी बाहरी क्षेत्र को लागू करने की आवश्यकता के। इस मामले में, विद्युत क्षेत्र द्वारा दिया गया है:

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

जहां ई_ω पहले की तरह तरंग का आयाम है।

इसे ध्रुवीकरण के समीकरण के साथ जोड़कर, और केवल रैखिक शब्दों और χ में उन लोगों को लेकर⁽³⁾|और_ω|³:

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

पहले की तरह, यह एक अतिरिक्त गैर-रैखिक शब्द के साथ एक रेखीय संवेदनशीलता की तरह दिखता है:

$\chi =\chi _{\mathrm {LIN} }+\chi _{\mathrm {NL} }=\chi ^{(1)}+{\frac {3\chi ^{(3)}}{4}}|\mathbf {E} _{\omega }|^{2},$

और तबसे:

$n=(1+\chi )^{1/2}=\left(1+\chi _{\mathrm {LIN} }+\chi _{\mathrm {NL} }\right)^{1/2}\simeq n_{0}\left(1+{\frac {1}{2{n_{0}}^{2}}}\chi _{\mathrm {NL} }\right)$

जहां एन₀=(1+x_LIN)^1/2 रैखिक अपवर्तनांक है। χ के बाद से टेलर विस्तार का उपयोग करना_NL << एन₀², यह तीव्रता पर निर्भर अपवर्तक सूचकांक (IDRI) देता है:

$n=n_{0}+{\frac {3\chi ^{(3)}}{8n_{0}}}|\mathbf {E} _{\omega }|^{2}=n_{0}+n_{2}I$

जहां एन₂ दूसरे क्रम का अरैखिक अपवर्तक सूचकांक है, और I तरंग की तीव्रता है। अपवर्तक सूचकांक परिवर्तन इस प्रकार माध्यम से यात्रा करने वाले प्रकाश की तीव्रता के समानुपाती होता है।

एन के मूल्य₂ 10 के क्रम में अधिकांश सामग्रियों के लिए अपेक्षाकृत छोटे हैं^{-20</सुप> मी2डब्ल्यू-1 विशिष्ट चश्मे के लिए। इसलिए, बीम तीव्रता (विकिरण) 1 GW सेमी के क्रम पर−2 (जैसे कि लेज़रों द्वारा उत्पादित) एसी केर प्रभाव के माध्यम से अपवर्तक सूचकांक में महत्वपूर्ण बदलाव लाने के लिए आवश्यक हैं।}

ऑप्टिकल केर प्रभाव अस्थायी रूप से स्व-चरण मॉडुलन के रूप में प्रकट होता है, एक स्व-प्रेरित चरण- और प्रकाश की एक नाड़ी की आवृत्ति-शिफ्ट के रूप में यह एक माध्यम से यात्रा करता है। यह प्रक्रिया, फैलाव (प्रकाशिकी) के साथ, ऑप्टिकल सॉलिटन का उत्पादन कर सकती है।

स्थानिक रूप से, एक माध्यम में प्रकाश की एक तीव्र किरण माध्यम के अपवर्तक सूचकांक में परिवर्तन उत्पन्न करेगी जो बीम के अनुप्रस्थ तीव्रता पैटर्न की नकल करती है। उदाहरण के लिए, एक गॉसियन बीम का परिणाम गाऊसी अपवर्तक सूचकांक प्रोफ़ाइल में होता है, जो ग्रेडिएंट-इंडेक्स लेंस के समान होता है। यह बीम को स्वयं पर ध्यान केंद्रित करने का कारण बनता है, एक घटना जिसे स्व-फोकसिंग के रूप में जाना जाता है।

जैसे-जैसे बीम स्व-केंद्रित होता है, शिखर की तीव्रता बढ़ जाती है, जो बदले में, अधिक आत्म-केंद्रित होने का कारण बनती है। मल्टीफोटोन आयनीकरण जैसे अरैखिक प्रभावों द्वारा बीम को अनिश्चित काल के लिए आत्म-केंद्रित होने से रोका जाता है, जो तीव्रता के बहुत अधिक हो जाने पर महत्वपूर्ण हो जाते हैं। जैसे-जैसे स्व-केंद्रित स्थान की तीव्रता एक निश्चित मूल्य से आगे बढ़ती है, उच्च स्थानीय ऑप्टिकल क्षेत्र द्वारा माध्यम को आयनित किया जाता है। यह अपवर्तक सूचकांक को कम करता है, प्रसार प्रकाश किरण को डिफोकस करता है। प्रसार तब बार-बार ध्यान केंद्रित करने और चरणों को हटाने की एक श्रृंखला में आगे बढ़ता है।

यह भी देखें

• जेफ्री सेल, एक प्रारंभिक ध्वनिक-ऑप्टिक न्यूनाधिक
• फिलामेंट प्रचार
• रैपट्रोनिक कैमरा, जो परमाणु विस्फोटों की उप-मिलीसेकंड तस्वीरें लेने के लिए केर सेल का उपयोग करता था
• ऑप्टिकल हेटेरोडाइन का पता लगाना
• ज़ीमन प्रभाव

संदर्भ

 This article incorporates public domain material from Federal Standard 1037C. General Services Administration. Archived from the original on 2022-01-22.

बाहरी संबंध

• Kerr cells in early television (Scroll down the page for several early articles on Kerr cells.)