在强电磁场中，因电子运动具有非谐波性，从而产生非线性光学效应。在电场作用下照射材料，其折射率会发生变化。这一效应是克尔（John Kerr）在1875年发现的，因此也被称为克尔效应或二次电光效应。折射率随外加电场呈线性变化。克尔效应分为两种：在直流电场作用下的克尔电光效应和在交流电场作用下的光学克尔效应。在直流电场的作用下，材料呈双折射性，显示偏振光折射的不同折射率平行或垂直于所施加的电场。折射率差Δn由以下公式计算得出

Δn=λKE²

式中，λ是光的波长；K是克尔常数；E是电场强度。当光线落在垂直于电场方向的材料上时，折射率差使材料表现出类似波片的性能。

克尔效应的重要性在于，当材料位于两个交叉的线性偏振片（即两个相互垂直的线性偏振片）上时，如果电场关闭，材料将无法发射光，通过调整电场的大小，所有的光将被传输。换句话说，光的传输可通过调节电场的大小进行调节。有趣的是，在交流电克尔效应中，用强激光照射材料就可以产生一个可调制电场，而不用施加电场。

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图4.18 当偏振光穿过石墨烯时，其透射光角度旋转了6° Copyrightⓒ 2013，Rights Managed by Nature Publishing Group，Courtesy：Crassee et al.，Nature Physics 7，48-51，2011.

由于饱和吸收以及非线性相移，多层石墨烯的透射率呈增长趋势。研究表明，石墨烯的非线性折射率为10^-7cm²/W，比块状电介质大9个数量级。这些结果说明基于石墨烯的非线性光子具有应用价值。此外，勒瓦卢瓦等（Levallois et al.，2011）的研究表明，当偏振光在磁场下通过单层石墨烯片时，其旋转角度几乎与其初始角度相差了近6°（图4.18）。令人惊讶的是，这种现象只在较厚的材料上才能观察到。石墨烯的这种特性甚至可用于在电场和磁场作用下控制红外光。令人惊讶的是，石墨烯每个原子层比其他任何材料具有更大的法拉第旋转角，是其他材料的10倍。由于法拉第旋转角与材料的厚度成正比，对于只有一个原子层厚度的石墨烯来说，这是出乎意料的。测量法拉第旋转角时，可使红外光穿过偏振滤光器产生一个线性偏振光束，使其穿过一个表面与磁场垂直的石墨烯样品，透射光穿过第二个偏振滤光器。由于这两个滤光器的偏振成90°分离，因此没有观察到光。当偏振光旋转时，其穿过石墨烯，没有检测出光的那个角被法拉第角所替换。因此，石墨烯可以用作控制开关，使光在一个方向上通过，而不是在相反方向。此类光二极管（法拉第隔离器）不可用于红外光。此类磁光开关的另一个优点是通过改变磁场的方向，可以逆转法拉第旋转。石墨烯可实现这种可能性是由于其具有通过简单地施加电场改变其电荷载流子从负到正的能力（由于它的双极电场效应）。

在光通信、数据存储和计算领域都需要法拉第效应和磁光克尔效应。此外，这些设备不但昂贵且尺寸大。但是随着石墨烯的发展，其固有的问题可以被克服，之后，这种材料可用作此类开关设备而带来巨大的利益。例如：在石墨烯可用作开关前，人们可能需要至少10层的石墨烯以实现一个45°的旋转。此外，由于石墨烯吸收红外光，也存在使设备失去信号强度的可能性。