カー効果

カー効果：光の屈折率を操る現象

1875年、スコットランドの物理学者ジョン・カーは、物質に電場や磁場を加えることで屈折率が変化する現象を発見しました。この現象は、彼の名にちなんでカー効果と呼ばれています。

カー効果には、電場による電気光学カー効果と、磁場による磁気光学カー効果の2種類があります。本記事では、主に電気光学カー効果について解説します。

電気光学カー効果：電場と屈折率の関係

電気光学カー効果は、物質に電場を加えると、その屈折率が電場の強さの2乗に比例して変化する現象です。より正確には、電場によって物質に複屈折が生じます。この複屈折の大きさは、印加電場の強さの2乗に比例して変化します。

この現象を利用した応用例として、高速光スイッチがあります。結晶の両端に偏光板を設置し、偏光方向を垂直に設定すると光は透過しません。しかし、結晶に電圧を加えて屈折率を変化させることで、偏光方向を制御し、光を透過させることが可能になります。この原理を用いることで、従来の機械式シャッターでは不可能な、ナノ秒、フェムト[[秒]]レベルの高速スイッチングを実現できます。

光カー効果：光自身による屈折率変化

電場を光電場とした場合のカー効果を、光カー効果と呼びます。これは、非線形光学効果の一種であり、入射光の強度によって媒質の屈折率が変化する現象です。

光カー効果は、物質中の電子の挙動の変化によって生じます。強い光が物質に入射すると、電子のエネルギー準位が変化し、それに伴って屈折率が変化します。この変化は、入射光の強度によって決まります。

光カー効果の中でも、特に注目すべきは自己集束現象です。光ビームが物質中を進む際、ビームの中心部では光強度が高いため、屈折率の変化も大きくなります。このため、光ビームは自身を収束させるように進みます。この現象は、超高速レーザーパルスを用いた研究に利用されています。

光カー効果は、ピコ[[秒]]・フェムト[[秒]]レーザーパルスを用いることで、さらに高速な光スイッチングを実現します。これは、電圧を用いた場合よりも高速な制御が可能であり、超高速分光や超高速イメージングなどの分野で重要な役割を果たしています。

まとめ

カー効果は、電場や磁場によって物質の屈折率を変化させる現象で、特に光カー効果は超高速光スイッチング技術として、様々な応用が期待されています。光通信や光計測、そして基礎物理学の研究においても重要な役割を果たす現象です。 自己位相変調や自己集束などの非線形光学現象は、光カー効果の理解を深める上で不可欠な要素です。 これらの研究は、さらなる高速化、高効率化、そして新たな光技術の開発につながると期待されています。

関連項目

ポッケルス効果
超短パルス

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