Efecto Kerr

El efecto Kerr es una birrefringencia creada en un material por un campo eléctrico exterior. Fue descubierto en 1875 por el físico escocés John Kerr, y se caracteriza por la existencia de dos índices de refracción diferentes: un haz luminoso se divide en dos haces cuando penetra en este material.[1][2][3]​ Los fenómenos físicos responsables de este efecto en la materia pueden ser, dependiendo del material, la electroestricción, efecto fotorrefractivo y la orientación molecular, entre otros.

La birrefringencia creada, a diferencia de la del efecto Pockels, varía según el cuadrado del campo eléctrico aplicado. Los materiales presentan en general un efecto Kerr muy débil, sin embargo, algunos líquidos presentan un efecto Kerr medible.

DescripciónEditar

Un campo eléctrico aplicado a un material genera una birrefringencia en este material: la luz tiene un índice de refracción diferente según su polarización sea ortogonal o paralela al campo. La diferencia entre estos dos índices vale:

 

donde:

  • λ es la longitud de onda de la luz,
  • K es la constante de Kerr y
  • E es la amplitud del campo eléctrico.

Efecto electroóptico de KerrEditar

El efecto electroóptico de Kerr, o efecto DC Kerr, es el caso especial en el que se aplica un campo eléctrico externo que varía lentamente, por ejemplo, mediante un voltaje en los electrodos a través del material de muestra. Bajo esta influencia, la muestra se vuelve birrefringente, con diferentes índices de refracción para la luz polarizada paralela o perpendicular al campo aplicado. La diferencia en el índice de refracción, Δn, está dada por:


 

donde λ es la longitud de onda de la luz, K es la constante de Kerr y E es la fuerza del campo eléctrico. Esta diferencia en el índice de refracción hace que el material actúe como una placa de ondas cuando la luz incide sobre él en una dirección perpendicular al campo eléctrico. Si el material se coloca entre dos polarizadores lineales "cruzados" (perpendiculares), no se transmitirá luz cuando se apague el campo eléctrico, mientras que casi toda la luz se transmitirá para un valor óptimo del campo eléctrico. Los valores más altos de la constante de Kerr permiten lograr una transmisión completa con un campo eléctrico aplicado más pequeño.

Algunos líquidos polares, como el nitrotolueno (C7 H7 NO2 ) y el nitrobenceno (C6 H5 NO2 ) exhiben constantes de Kerr muy grandes. Una celda de vidrio llena de uno de estos líquidos se llama celda de Kerr. Estos se utilizan con frecuencia para modular la luz, ya que el efecto Kerr responde muy rápidamente a los cambios en el campo eléctrico. La luz se puede modular con estos dispositivos a frecuencias de hasta 10 GHz. Debido a que el efecto Kerr es relativamente débil, una celda Kerr típica puede requerir voltajes tan altos como 30 kV para lograr una transparencia total. Esto contrasta con las celdas de Pockels, que pueden operar a voltajes mucho más bajos. Otra desventaja de las células de Kerr es que el mejor material disponible, el nitrobenceno, es venenoso. También se han utilizado algunos cristales transparentes para la modulación de Kerr, aunque tienen constantes de Kerr más pequeñas.

En medios que carecen de simetría de inversión, el efecto Kerr generalmente está enmascarado por el efecto Pockels mucho más fuerte. Sin embargo, el efecto Kerr todavía está presente y, en muchos casos, se puede detectar independientemente de las contribuciones del efecto Pockels.[4]

Efecto Kerr ópticoEditar

El efecto óptico Kerr, o efecto AC Kerr, es el caso en el que el campo eléctrico se debe a la propia luz. Esto provoca una variación en el índice de refracción que es proporcional a la irradiancia local de la luz.[5]​ Esta variación del índice de refracción es responsable de los efectos ópticos no lineales del autoenfoque, la modulación de la auto-fase y la inestabilidad modulacional, y es la base del modelo de lentes de Kerr. Este efecto solo se vuelve significativo con rayos muy intensos como los de los láseres. También se ha observado que el efecto Kerr óptico altera dinámicamente las propiedades de acoplamiento de modo en fibra multimodo, una técnica que tiene aplicaciones potenciales para mecanismos de conmutación totalmente ópticos, sistemas nanofotónicos y dispositivos fotosensores de baja dimensión.[6][7]

ReferenciasEditar

  1. Weinberger, P. (2008). «John Kerr and his Effects Found in 1877 and 1878». Philosophical Magazine Letters 88 (12): 897-907. Bibcode:2008PMagL..88..897W. S2CID 119771088. doi:10.1080/09500830802526604. 
  2. Kerr, John (1875). «A new relation between electricity and light: Dielectrified media birefringent». Philosophical Magazine. 4 50 (332): 337-348. doi:10.1080/14786447508641302. 
  3. Kerr, John (1875). «A new relation between electricity and light: Dielectrified media birefringent (Second paper)». Philosophical Magazine. 4 50 (333): 446-458. doi:10.1080/14786447508641319. 
  4. Melnichuk, Mike; Wood, Lowell T. (2010). «Direct Kerr electro-optic effect in noncentrosymmetric materials». Phys. Rev. A 82 (1): 013821. Bibcode:2010PhRvA..82a3821M. doi:10.1103/PhysRevA.82.013821. 
  5. Rashidian Vaziri, M R (2015). «Comment on "Nonlinear refraction measurements of materials using the moiré deflectometry"». Optics Communications 357: 200-201. Bibcode:2015OptCo.357..200R. doi:10.1016/j.optcom.2014.09.017. 
  6. Xu, Jing (May 2015). Experimental Observation of Non-Linear Mode Conversion in Few-Mode Fiber. San Jose. pp. 1-3. Consultado el 24 de febrero de 2016. 
  7. Hernández-Acosta, M A; Trejo-Valdez, M; Castro-Chacón, J H; Torres-San Miguel, C R; Martínez-Gutiérrez, H; Torres-Torres, C (23 February 2018). «Chaotic signatures of photoconductive Cu
    2
    ZnSnS
    4
    nanostructures explored by Lorenz attractors». New Journal of Physics 20 (2): 023048. Bibcode:2018NJPh...20b3048H. doi:10.1088/1367-2630/aaad41.
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