커 효과

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 전기광 커 효과 (DC 커 효과)
- 2.1. 전기광 커 효과의 원리
3. 광학적 커 효과 (AC 커 효과)
- 3.1. 광학적 커 효과의 원리
4. 자기광 커 효과 (MOKE)
5. 커 효과의 응용
- 5.1. 고속 셔터
- 5.2. 초고속 분광 및 이미징
참조

1. 개요

커 효과는 빛의 굴절률이 전기장 또는 빛의 세기에 따라 변하는 현상을 통칭한다. 커 효과는 크게 전기광 커 효과(DC 커 효과)와 광학적 커 효과(AC 커 효과)로 나뉜다. 전기광 커 효과는 외부 전기장에 의해 물질의 굴절률이 변하는 현상으로, 커 셀과 같은 빛 변조 장치에 활용된다. 광학적 커 효과는 빛의 세기에 의해 굴절률이 변하는 현상으로, 자기 위상 변조, 자기 초점화, 솔리톤 생성 등에 관여하며, 초고속 셔터, 분광 및 이미징 기술에 응용된다. 자기광 커 효과(MOKE)는 자화된 물질에서 반사된 빛의 편광면이 회전하는 현상이다.

더 읽어볼만한 페이지

비선형 광학 - 동시 계수기
비선형 광학 - 자기광 커 효과
자기광 커 효과는 자화된 물질 표면에서 반사된 빛의 편광이 변화하는 현상으로, 빛의 입사 방향과 자기장 영역의 배치에 따라 다양한 형태로 분류되며 광자기 디스크, 커 현미경 등에 응용된다.
편광 - 패러데이 효과
패러데이 효과는 빛이 자기장의 영향을 받아 편광면이 회전하는 현상으로, 1845년 마이클 패러데이가 발견했으며, 광 아이솔레이터, 자기장 측정 등 다양한 분야에 응용된다.
편광 - 복굴절
복굴절은 이방성 매질에서 빛의 속도가 편광 방향에 따라 달라져 빛이 두 개 이상의 굴절광선으로 나뉘는 현상으로, 결정, 플라스틱 등 다양한 물질에서 나타나며 광학 기기 및 여러 분야에 응용된다.

커 효과
개요
현상	물질의 굴절률이 외부 전기장의 제곱에 비례하여 변화하는 현상
발견자	존 커
발견 시기	1875년
다른 이름	전기 광학 커 효과
상세
설명	커 효과는 특정 물질에 강한 전기장을 가했을 때, 그 물질의 굴절률이 변하는 현상이다. 이는 비선형 광학 현상 중 하나이며, 물질의 광학적 특성이 전기장에 의해 조절될 수 있음을 보여준다.
원리	물질 내 분자들의 정렬 변화 또는 전자 구름의 변형을 유도하여 복굴절을 발생시킨다.
커 상수	커 효과의 강도를 나타내는 물질 고유의 상수
응용 분야	광 변조기 Q 스위치 위상 지연기 광학 Kerr 효과 현미경
수학적 표현
굴절률 변화	Δn = λKE² (여기서 Δn은 굴절률 변화, λ는 빛의 파장, K는 Kerr 상수, E는 전기장의 세기)
복굴절	n\|\| - n⊥ = λKE² (여기서 n\|\|는 전기장 방향과 평행한 굴절률, n⊥는 전기장 방향과 수직한 굴절률)
관련 항목
관련 현상	포켈스 효과 광탄성 자기 광학 Kerr 효과

2. 전기광 커 효과 (DC 커 효과)

'''전기광 커 효과'''(Kerr electro-optic effect^영어) 또는 '''DC 커 효과'''는 천천히 변화하는 전기장이 걸려있는 특수한 상황에서 나타나는 커 효과이다. 예를 들어 샘플에 전압이 걸려있는 경우를 생각할 수 있다. 이러한 영향 아래에서, 샘플은 가해진 전기장에 수직 또는 평행한 방향으로 굴절률이 달라져 복굴절을 띄게 된다. 굴절률의 차이(Δn)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

'''Δn=λKE^2''' (λ: 빛의 파장, K: 커 상수, E: 전기장의 세기)

이러한 굴절률 변화는 빛이 전기장에 수직인 방향으로 입사할 때, 물질이 파장판의 성질을 띄도록 한다. 예를 들어 두 개의 선형 편광판이 수직으로 있고 그 사이에 물질이 채워져 있다면, 한쪽 편광판을 통과한 빛은 반대쪽 편광판을 통과할 수 없다. 하지만 특정 전기장을 걸어주면, 대부분의 빛은 반대쪽 편광판을 통과할 수 있게 된다. 커 상수가 클수록 전기장에 의한 커 효과는 더 커진다.

극성 액체, 예를 들어 니트로톨루엔(C₇H₇NO₂) 및 니트로벤젠(C₆H₅NO₂)은 매우 큰 커 상수를 나타낸다. 이러한 액체로 채워진 유리 셀을 ''커 셀''이라고 한다. 커 셀은 빛을 변조하는 데 사용될 수 있으며, 전기장의 변화에 매우 빠르게 반응하기 때문에 최대 10 GHz의 주파수로 빛을 변조할 수 있다. 그러나 일반적인 커 셀은 완전한 투명도를 얻기 위해 30 kV에 달하는 높은 전압이 필요할 수 있으며, 이는 포켈스 셀보다 높은 전압이다. 또한, 가장 우수한 재료인 니트로벤젠은 유독하다는 단점이 있다. 일부 투명한 결정도 커 변조에 사용되지만, 커 상수가 더 작다.

반전 대칭성이 없는 매질에서 커 효과는 일반적으로 훨씬 더 강력한 포켈스 효과에 의해 가려진다. 그러나 커 효과는 여전히 존재하며, 많은 경우 포켈스 효과와 독립적으로 감지할 수 있다.^[4]

''K'' 값은 매질에 따라 다르며, 물의 경우 약 9.4×10⁻¹⁴ m·볼트(V)⁻²이고, 니트로벤젠의 경우 4.4×10⁻¹² m·V⁻²이다.^[10]

결정의 경우, 매질의 감수율은 일반적으로 텐서가 되며, 커 효과는 이 텐서를 수정한다.

2. 1. 전기광 커 효과의 원리

비선형 물질에서 전기 분극(P)은 전기장(E)에 의존하며, 다음과 같이 표현된다.^[8]

:

\mathbf{P} = \varepsilon_0 \chi^{(1)}\mathbf{E} + \varepsilon_0 \chi^{(2)}\mathbf{E E} + \varepsilon_0 \chi^{(3)}\mathbf{E E E} + \cdots

여기서

\varepsilon_0

는 진공 유전율이고,

\chi^{(n)}

는 매질의

n

차 전기 감수율 성분이다. 이 관계는 벡터 ''P''의 ''i''번째 성분으로 명시적으로 표현할 수 있다.^[9]

:

P_i =\varepsilon_0 \sum_{j=1}^{3} \chi^{(1)}_{i j} E_j +\varepsilon_0 \sum_{j=1}^{3} \sum_{k=1}^{3} \chi^{(2)}_{i j k} E_j E_k +\varepsilon_0 \sum_{j=1}^{3} \sum_{k=1}^{3} \sum_{l=1}^{3} \chi^{(3)}_{i j k l} E_j E_k E_l + \cdots

(

i = 1,2,3

이며,

P_1

∥

P_x

, 즉 분극장의 x축에 평행한 성분,

E_2

∥

E_y

등이 성립한다고 가정한다.)

선형 매질의 경우, 첫 번째 항만 유의미하며 분극은 전기장에 선형적으로 변화한다. 그러나 커 효과를 보이는 물질에서는 3차 전기 감수율(

\chi^{(3)}

) 항이 중요하며, 커 매질의 반전 대칭성으로 인해 짝수 차수의 항은 일반적으로 사라진다.

주파수 ω의 빛 파동과 외부 전기장 '''E'''₀에 의해 생성되는 순 전기장 '''E'''는 다음과 같다.

:

\mathbf{E} = \mathbf{E}_0 + \mathbf{E}_\omega \cos(\omega t),

여기서 '''E'''_ω는 파동의 벡터 진폭이다.

이 두 방정식을 결합하면 '''P'''에 대한 복잡한 표현이 생성되는데, 직류 커 효과의 경우 선형 항과

\chi^{(3)}|\mathbf{E}_0|^2 \mathbf{E}_\omega

항만 고려하면 다음과 같다.

:

\mathbf{P} \simeq \varepsilon_0  \left( \chi^{(1)} + 3 \chi^{(3)} |\mathbf{E}_0|^2 \right) \mathbf{E}_\omega \cos(\omegat),

이는 분극과 파동의 전기장 사이의 선형 관계에 외부장의 진폭 제곱에 비례하는 비선형 감수율 항이 추가된 형태이다.

비대칭 매질(예: 액체)에서 이 유도된 감수율 변화는 전기장 방향으로 굴절률 변화를 유도한다.

:

\Delta n = \lambda_0 K |\mathbf{E}_0|^2,

여기서 λ₀는 진공 파장이고, ''K''는 매질의 커 상수이다. 인가된 전계는 전계 방향으로 매질에 복굴절을 유도하며, 횡방향 전계를 갖는 커 셀은 이를 통과하는 파동의 편광면을 회전시키는 위상 지연판 역할을 한다.

3. 광학적 커 효과 (AC 커 효과)

광학적 커 효과(optical Kerr effect^영어) 또는 교류 커 효과는 빛의 전기장에 의해 발생하는 커 효과의 특수한 경우이다. 이 효과는 빛의 조도에 비례하는 굴절률 변화를 일으킨다.^[5]

이러한 굴절률 변화는 자기 초점화, 자기 위상 변조 및 변조 불안정성과 같은 비선형 광학 효과를 유발하며, 커 렌즈 모드 잠금의 기초가 된다. 광학적 커 효과는 레이저와 같이 매우 강렬한 빛에서만 의미가 있으며, 다중 모드 광섬유에서 모드 결합 특성을 동적으로 변경하는 것으로 관찰되었다. 이는 전광 스위칭 메커니즘, 나노 광학 시스템 및 저차원 광 센서 장치에 잠재적으로 적용될 수 있다.^[6]^[7]

광 커 효과는 3차 비선형 광학 매질에 빛이 입사했을 때 전기 감수율이 변화하는 현상이다. 입사광의 강도에 따라 매질의 굴절률이 변화하여 빛의 위상 속도가 달라진다. 3차 비선형 광학 매질을 빛 빔이 투과할 때, 빛 빔의 강도 분포에 따라 굴절률이 변화한다. 빛 빔이 단면 중심에서 최대 강도를 가질 때, 굴절률 변화도 중심에서 최대가 되어 빛 빔이 매질 내에서 자신을 수렴시키는 자기 수렴 현상이 나타난다.

전파하는 빛 자체에 의해 일어나는 광 커 효과(예: 자기 수렴) 외에도, 별도로 도입하는 빛에 의해 일어나는 광 커 효과도 있다. 후자의 경우 피코초 · 펨토초 레이저 펄스를 사용하면 펄스 전압을 사용하는 경우보다 더 빠른 셔터로 작동시킬 수 있으며, 초고속 분광 및 초고속 이미징 등에 응용된다.

3. 1. 광학적 커 효과의 원리

광학적 커 효과에서 매질 내의 강렬한 빛 빔은 외부 전장을 가할 필요 없이 변조 전기장을 제공할 수 있다. 이 경우, 전기장은 다음과 같다.

:

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

여기서 '''E'''_ω는 파동의 진폭이다.

이것을 편광 방정식과 결합하고 선형 항과 χ⁽³⁾|'''E'''_ω|³의 항만 취하면 다음과 같다.

:

\mathbf{P} \simeq \varepsilon_0  \left( \chi^{(1)} + \frac{3}{4} \chi^{(3)} |\mathbf{E}_\omega|^2 \right) \mathbf{E}_\omega \cos(\omega t).

이는 추가적인 비선형 항이 있는 선형 감수율처럼 보인다.

:

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

그리고 다음과 같으므로:

:

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)

여기서 ''n''₀=(1+χ_LIN)^1/2는 선형 굴절률이다. χ_NL ≪ ''n''₀² 이므로, 테일러 급수를 사용하면 다음과 같은 '강도 의존 굴절률'(IDRI)을 얻는다.

:

n = n_0 + \frac{3\chi^{(3)}}{8 n_0} |\mathbf{E}_{\omega}|^2 = n_0 + n_2 I

여기서 ''n''₂는 2차 비선형 굴절률이고, ''I''는 파동의 강도이다. 따라서 굴절률 변화는 매질을 통과하는 빛의 강도에 비례한다.

대부분의 물질에 대해 ''n''₂의 값은 비교적 작으며, 전형적인 유리에서 10⁻²⁰ m² W⁻¹ 정도이다. 따라서 광학적 커 효과를 통해 굴절률에 상당한 변화를 일으키려면 1GW/cm² 정도의 빔 강도(조도)(레이저로 생성되는 것과 같은)가 필요하다.

광학적 커 효과는 시간적으로 자기 위상 변조로 나타나며, 이는 매질을 통과하는 빛 펄스의 자기 유도 위상 및 주파수 이동이다. 이 과정은 분산과 함께 광학적 솔리톤을 생성할 수 있다.

공간적으로, 매질 내의 강렬한 빛 빔은 빔의 횡단 강도 패턴을 모방하는 매질의 굴절률 변화를 생성한다. 예를 들어, 가우시안 빔은 굴절률 기울기 렌즈와 유사한 가우시안 굴절률 프로파일을 생성한다. 이는 빔이 자체적으로 초점을 맞추게 하며, 이는 자기 초점화로 알려진 현상이다.

빔이 자기 초점화되면, 최고 강도가 증가하고, 이는 차례로 더 많은 자기 초점화를 발생시킨다. 빔은 강도가 매우 높아지면 중요해지는 다광자 이온화와 같은 비선형 효과에 의해 무한정 자기 초점화되는 것을 방지된다. 자기 초점화된 지점의 강도가 특정 값을 초과하면, 매질은 높은 국소 광학장에 의해 이온화된다. 이는 굴절률을 낮추어 전파하는 빛 빔을 초점 이탈시킨다. 그 후 전파는 일련의 반복적인 초점화 및 초점 이탈 단계로 진행된다.^[11]

4. 자기광 커 효과 (MOKE)

자기광 커 효과(MOKE)는 자화된 물질에서 반사된 빛의 편광면이 회전하는 현상이다. 이는 투과된 빛의 편광면이 회전하는 패러데이 효과와 유사하다.

5. 커 효과의 응용

커 효과는 전기장의 변화에 매우 빠르게 반응하여 빛을 변조하는 데 사용된다. 최대 10 GHz의 주파수로 빛을 변조할 수 있는 장치에 응용된다.^[4] 니트로벤젠과 같이 커 상수가 큰 액체를 사용하면 비교적 낮은 전압으로도 효과를 얻을 수 있지만, 일반적인 커 셀은 완전한 투명도를 위해 30 kV에 달하는 높은 전압이 필요할 수 있다.

광 커 효과는 자기집속, 자가 위상 변조 등 비선형 광학 효과를 일으켜 커 렌즈 모드 잠금의 기초가 된다. 또한, 다중 모드 광섬유에서 모드 결합 특성을 동적으로 변경하여 전광 스위칭, 나노 광학 시스템, 저차원 광 센서 장치 등에 응용될 수 있다.^[6]^[7] 광 커 효과는 빛이 3차 비선형 광학 매질에 입사할 때 전기 감수율 변화로 인해 발생하며, 입사광 강도에 따라 매질 굴절률이 변화하여 빛의 위상 속도가 바뀌는 자기 위상 변조를 일으킨다.

5. 1. 고속 셔터

편광판을 결정 양쪽에 두고 편광 방향을 수직으로 배치하면 불투명하지만, 결정에 전압을 가해 편광 방향을 바꾸면 투명하게 된다.^[4] 이를 통해 기계식 셔터로는 불가능한 고속 스위칭이 가능하다. 이 현상은 나노초, 펨토초 레이저의 고속 셔터에 이용된다.

5. 2. 초고속 분광 및 이미징

광 커 효과는 비선형 광학 효과의 일종으로, 빛의 전기장에 의해 발생하는 현상이다. 전파하는 빛 자체에 의해 일어나는 경우(예: 자기 수렴)와 별도로 도입하는 빛에 의해 일어나는 경우가 있다. 별도의 빛을 이용하는 경우, 피코초 · 펨토초 레이저 펄스를 사용하면 펄스 전압을 사용하는 것보다 더 빠른 셔터로 작동시킬 수 있어, 초고속 분광 및 초고속 이미징 등에 응용된다.^[1]

참조

_[1] 논문 John Kerr and his Effects Found in 1877 and 1878 http://www.pwein.at/[...] 2008
_[2] 논문 A new relation between electricity and light: Dielectrified media birefringent 1875
_[3] 논문 A new relation between electricity and light: Dielectrified media birefringent (Second paper) 1875
_[4] 논문 Direct Kerr electro-optic effect in noncentrosymmetric materials 2010
_[5] 논문 Comment on "Nonlinear refraction measurements of materials using the moiré deflectometry"
_[6] 간행물 Experimental Observation of Non-Linear Mode Conversion in Few-Mode Fiber http://www.georgesdg[...] 2015-05
_[7] 논문 Chaotic signatures of photoconductive {{chem|Cu|2|ZnSnS|4}} nanostructures explored by Lorenz attractors 2018-02-23
_[8] 서적 Introduction to Nonlinear Optics Cambridge University Press
_[9] 웹사이트 Kerr Effect https://www.ifsc.usp[...] 2018-06-14
_[10] 서적 Physics of Dielectrics for the Engineer https://books.google[...] Elsevier
_[11] 논문 Visualization of focusing–refocusing cycles during filamentation in BaF₂

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com