logo

logo

logo

logo

logo

أثر كير

اثر كير

Kerr effect - Effet Kerr

أثر كير

علاء الدين منيع 

أثر كير الكهربائي الضوئي

أثر كير المغنطيسي الضوئي

 

يندرج تحت هذا العنوان كل من أثر كير الكهربائي الضوئي electro-optical Kerr effect (EOKEوأَثَر كير المغنطيسي الضوئيmagneto-optical Kerr effect  ء

 (MOKE) و هما أثران يؤديان إلى تغيّر في قرينة انكسار المادة عند إخضاعها لتأثير حقل كهربائي أو حقل مغنطيسي، وقد تمَّ اكتشافهما على يد العالم الاسكتلندي جون كير في عامي1875  و1877 على التوالي. ونظراً لأهمية أثريّ كير من جهة وللمستجدات الكثيرة في عِلم الضوء الحديث من جهة ثانية - وأهمُها ظهور الليزر - كان لابُدَّ من تفصيل غالبية الآثار والتطبيقات المُشتقة منهما مباشرة (الشكل 1)

الشكل(1) مخطط هيكلي لأثر كير و مشتقاته و تطبيقاته

أثر كير الكهربائي الضوئي

تاريخياً قام العالم كير أولاً بإظهار أنَّ المواد الشفافة مُتَماثلة المناحي isotropic transparent substances ( الجدول 1) تتحول إلى مواد لامُتماثلة المناحي وحيدة المحور anisotropic uniaxial substances  (أيّ تتصف بظهور الانكسار المُضاعف الخطّي المُحرض  induced linear birefringence) بفعل تطبيق حقل كهربائي ساكن (الشكل 2)، وتتناسب قيمة هذا الانكسار المُضاعف  مع مربع قيمة الحقل الكهربائي المُطبق  ( الذي أحياناً يُقاس بواحدة الستات ڤولط  statvolt التي تعادل 300 ڤولط) وطول موجة الضوء النافذ l وفق قانون كير Kerr law ، المعادلة (1)

n = ne - n0 = K l0 E2 (1)

حيث أُدرجت قيم ثابتة كير Kerr constant ضمن الجدول (1).

حالة المادة

المادة

ثابتة كير

(سم ستاتڤولت-2) عند طول موجة 589 نانومتر

ثابتة كير

(م ڤولت-2) عند طول موجة 1 ميكرومتر

غاز

(عند الشرطين النظاميين)

غاز الكربون CO2

0.25´10-10

 

غاز النتروجين N2

0.36´10-10

 

غاز كلوروميتانCH3Cl

8.7´10-10

 

سائل

(عند درجة حرارة 20 درجة سيليزيوس)

الماء H2O

4.7´10-7

137´10-14

كربونات السلفيادCS2

3.2´10-7

300´10-14

البنزين C6H6

0.6´10-7

0.67´10-14

كلوروفورم CHCl3

-3.5´10-7

 

نتروبنزنC6H5NO2

220´10-7

300´10-14 (384)

صلب

الزجاج

من 2.9´10-9 إلى 1.5´10-8

 

الشكل (2) مخطط توضيحي لآلية أثر كير الفيزيائية

يبين الشكل (2) أنه عند إخضاع مادة مُتماثلة المناحي (حيث تكون قرينة الانكسار ثابتة في كل الاتجاهات وذات قيمة n0 ، والتي تُمثّل بالدائرة المُنَقَطَة) لحقل كهربائي E  (نتيجةً لتطبيق فرق كمون عالٍ V بين اللبوسين الكهربائيين) تتحول المادة إلى مادة لامُتماثلة المناحي وذات محور ضوئي وحيد موازٍ لاتجاه الحقل الكهربائي  E  تحدث ظاهرة الانكسار المُضاعف الخطيّة، أيّ يصبح للمادة قرينتا انكسار: الأولى لا تتعلق بالاتجاه وتسمى قرينة الانكسار العاديّة  n0 ، مُمثلة بالدائرة الحمراء، والثانية تتغير مع الاتجاه وتسمى قرينة الانكسار الشاذّة   ne مُمثلة بالمنحني الأخضر). يكون الوسط وحيد المحور موجباً أي ّ ( ne ³ n0 ) من أجل ثابتة كير موجبة K > 0 ، فعند ورود حقل كهرطيسي  ei   مُستقطب خطياً (على سبيل المثال) ينقسم هذا الحقل إلى حقلين متعامدين: الأول   e0 يتعامد مع المستوي الضوئي  (الذي يحوي المحور الضوئي وشعاع الاتجاه Z )   , والثاني  ee يقع في المستوي الضوئي. وهذان الحقلان ينتشران بسرعتين مختلفتين نتيجةً لاختلاف قرينتي الانكسار الموافقتين لهما، وعند بروزهما من الوسط يتحدان من جديد ليُشكلا الحقل الكهرطيسي النافذ e  الذي يكون عموماً مُستقطباً دورانياً إهليلجياً نتيجةً لوجود فرق الطور .

تمّتَ الاستفادة من هذا الأثر بصناعة قاطع ضوئي سريع     optical shutter    (عند تطبيق نبضة إلكترونيّة سريعة) أو مُعدِّل ضوئي optical modulator  (إشارة إلكترونيّة مُعدّلة) بعد وضع مادة النتروبنزن في خلية زجاجيّة ذات لبوسين كهربائيين بين مقطبين ضوئيين متعامدين، بحيث لا يمكن للضوء العبور إلا بعد تطبيق الحقل الكهربائي المناسب بين لبوسي الخليّة. يُسمى هذا الجهاز بخليّة كير الضوئيّة  Kerr cell، ويُعدّ من أهم تطبيقات أثر كير الكهربائي نظراً لسرعة استجابته؛ والتي قد تصل إلى زمن النانوثانية (1 نانوثانية يساوي J10-9 ثانية). يجدر بالذّكر أنّ استخدم خليّة كير كمُبدّل معامل الجودة Q-switcher في المجاوبة الليزريّة قد تقلص كثيراً أمام خليّة بوكلس Pockels cell بسبب ارتفاع قيمة فرق الكمون اللازم لتشغيلها والذي يقدر بنحو J30 كيلوڤولط مقارنةً بنحو J6  كيلوڤولط من أجل خليّة بوكلس.

وبعد ظهور الليزر عام 1960 بَلغَت الحقول الكهرطيسيّة حَدّاً عالياً جداً - فيما يسمى بالحزمة الليزرية laser beam - جَعَلها قادرةً على تحريض أثر كير ذاتياً. ومنذ ذلك الحين درجت تَسميّة أثر كير الكهربائي الضوئي على أنّه أثر كير من أجل الحقول الكهربائية ذات الترددات المنخفضة نسبياً (من 0 هرتز حتى 10 غيغا هرتز) والتي يمكن توليدها بالدارات الإلكترونية التقليديّة، وأحياناً يُستَخدم مُصطلح أَثَر كير الضوئي المُستمر DC optical Kerr effect أو الأثر الكهربائي الضوئي التربيعي ءquadratic electro-optic effect  (وكل ما ذكر سابقاً أو تاريخياً يندرج تحت هذه التسميّة)، كما هو مُبيّن في المُخطط الهيكلي في الشكل (1). وأمّا بالنسبة إلى أثر كير المُتحرض بالحقول الكهرطيسية الليزرية فيُدعى بأَثَر كير الضوئي optical Kerr effect أو أحياناً بأَثَر كير الضوئي المُتناوب AC optical Kerr effect؛ إذ تصبح قرينة انكسار الوسط تابعةً لمربع طويلة الحقل الكهربائي  E ؛ وبالتالي الشدة الضوئيّة   (وعندئذ تسمى قرينة الانكسار بقرينة الانكسار التابعة للشدة intensity-dependent refractive index) كما في العلاقة التالية  ( j2 )

 

  n (I) = n0 +n2I (2)

حيث  n2 معامل قرينة الانكسار اللاخطّيّة، وتسمى الأوساط التي تمتلك هذه الخاصيّة بأوساط كيرKerr media or Kerr-like media. ويندرج تحت هذه التسمية الأخيرة جملة من الآثار الفيزيائيّة الضوئية التي تُبنى عليها تطبيقات  مهمة كثيرة، ويمكن عموماً تصنفيها في أثر ذاتي  self effect وأثر تصالبي cross effect تبعاً لتدخّل حقل كهرطيسي واحد (أيّ حزمة ليزريّة واحدة) أو حقلين كهرطيسيين في تحريض أثر كير.

يقع تحت مصطلح أثر كير الذاتي مجموعة من الآثار والتطبيقات منها أثر عدسة كير  Kerr lens effect (KLM) وتعديل الطور الذاتي  self-phase modulation

SFM) ففي الحالة الأولى تتشكل عدسة ضوئيّة نتيجةً لتغير قرينة الانكسار تبعاً لاختلاف توزع الشدة الضوئيّة على مقطع الحزمة الليزرية (أثر عرضي)، وهي إمّا أنْ تكون عدسة مقرِّبة ويسمى أثر التَبئير الذاتي  self-focusing . (وينتج منها الآثار التالية: تَفخّخ الحزمة الذاتي self-trapping beam و انحناء الحزمة الذاتي  self-bending beam وانعراج الحزمة الذاتي  self-diffraction beam ، وإما أنْ تكون عدسة مبعِّدة ويسمى أثر اللاتَبئير الذاتي  self-defocusing  ومنهُ يظهر جانبٌ من أَثَر الحدّ الضوئيّ optical limiting effect ) وقد مَكّن هذا الأثر أيضاً من ابتكار تقنيّة قفل الأنماط الطولية في المُجاوبة الليزرية  Kerr lens mode-locking technique  التي تمَّت الاستفادة منها في بلّورة السفيّر المَشوبة بالتيتان  Ti : sapphire crystal  من أجل توليد نبضات الفمتوثانية الليزرية  j1) femtosecond laser pulses فمتوثانية يساوي j10-15 ثانية) والتي هي الأقصر زمنياً في عالم البصريات. أمّا في الحالة الثانية فيتغير طور الموجة الضوئيّة تبعاً لتغير قرينة الانكسار مع الشدة الضوئية خاصةً خلال وجود النبضة الليزرية (أثر طولي)، وهنا يمكن تمييز الآثار والتطبيقات التالية: فعند وضع وسط كير ضمن مجاوبة فابري- بيرو     Fabry-Perot cavity تشاهد ظاهرة الاستقرارانيّة (ثنائية الاستقرار) الضوئية  optical bistability نتيجةً لتَبعيّة قرينة الانكسار اللاخطّيّة والتي يمكن من خلالها إيجاد المكافئ الضوئي للترانزستور الإلكتروني     optical transistor وللذاكرة أيضا ً optical memory     .

أمّا من ناحية الآثار التصالبيّة - حيث تَتدخل في الأَثر حزمتان ليزريتان - فيلاحظ أَثَرْ كير المُتَحرض وفق رامان   Raman induced Kerr effect؛ والذي أدى بدوره إلى تطوير مطيافيّة أَثَرْ كير المُتَحرض وفق رامان(ءRIKES  Raman induced Kerr effect spectroscopy وأَثَر تعديل الطور التصالبيcross-phase modulation

(  (XPM)الذي أدى إلى تحسين أثر كير عند شروط ظاهرة الشفافيّة المُتَحَرّضة كهرطيسياً ء EIT) ء electromagnetically induced transparency في الأوساط الذريّة مُتعددة المستويات، وتقنية اقتران حزمتين two-beam coupling،  وأخيراً تقنيّة بوابة كير الضوئيّة ء( OKG ))ء ء ءء optical Kerr gateء(الشبيهة بالبوابة الإلكترونية) الطواعية اللاخطّيّة من المرتبة الثالثة  χ(3 ) third-order nonlinear susceptibility المسؤولة فيزيائياً عن أثر كير.

أثر كير المغنطيسي الضوئي

أثر كير المغنطيسي يُشبه فيزيائياً أثر فاردي Faraday effect؛ حيث تتغير زاوية دوران مستوي استقطاب الضوء خطياً مع شدة الحقل المغنطيسي نتيجةً لظهور الانكسار المُضاعف الدوراني المُتحرض induced circular birefringence، بيد أنّه يَختص فقط بحالة الحقل الكهرطيسي المُنعكس عن سطوح المعادن المغنطيسيّة مثل الحديد والنيكل . وثمة ثلاث تشكيلات أساسيّة لهذا الأثر تبعاً لاتجاه تطبيق الحقل المغنطيسي وهي: عرضي وطولي وقُطبي، ويكون أثر كير أَوضَحَ ما يكون في حالة التشكيلة القُطبيّة والتي استُخدمت عام 1985 في تسجيل البيتات bits مغنطيسياً وقراءتها ضوئياً باستخدام الليزر في السواقات المغنطيسيّة الضوئيّة magneto - optical drives ذات القدرة التخزينية العالية. كما استُفيد حديثاً من هذا الأثر في تطوير مطيافيّة ومُجهرية اعتماداً على أثركير المغنطيسي الضوئي السطحي  surface magneto- ، (ءSMOKE)ء      optical Kerr effect و اللتين هما حالياً بمنزلة حجر أساس في علم تحديد خصائص السطوح المغنطيسيّة. كما أنَّ ظهور هذا الأثر على استقطاب حزمة التوافقيّة الثانية (ءSHGsecond harmonic generation المتولدة نتيجةً للخواص اللاخطّيّة الضوئية من المرتبة الثانية لسطح العيّنة المدروسة - زَادَ من حَساسيّة هذه التقنيّة خصوصاً عند السطوح البينيّة interfaces في المواد مُتعددة الطبقات، وتُسمى بأثر كير المغنطيسي الضوئي اللاخطّي non-linear magneto-optical Kerr effect  (NLMOKE) .

مراجع للاستزادة:

-F. T. Arecchi, and E. O. Schulz-Dubois, Laser Handbook,NHP, Amsterdam,1972.

-E. Hecht,Optics, Addison Wesley, San Francisco, 2002.

-W. Koechner, Solid-State Laser Engineering, Springer, Berlin, 2006.

-M. G. Papadopoulos, A. J. Sadlej and J. Leszczynski,Non-Linear Optical Properties of Matter,Springer, Dordrecht,2006.

-R. Menzel, Photonics, Springer, Verlag, 2001.

-R. L. Sutherland, Handbook of Nonlinear Optics, Marcel Dekker, New York, 2003.


التصنيف : الضوء والأطياف
النوع : الضوء والأطياف
المجلد: المجلد الأول
رقم الصفحة ضمن المجلد : 240
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1054
الكل : 43825440
اليوم : 108835