В оптике эффект Поккельса , или электрооптический эффект Поккельса , представляет собой зависящее от направления линейное изменение показателя преломления оптической среды , которое происходит в ответ на приложение электрического поля . Он назван в честь немецкого физика Фридриха Карла Альвина Поккельса , который изучал этот эффект в 1893 году. [1] [2] Нелинейный аналог, эффект Керра , вызывает изменения показателя преломления со скоростью, пропорциональной квадрату приложенного электрического поля. В оптических средах эффект Поккельса вызывает изменения двулучепреломления , которые изменяются пропорционально силе приложенного электрического поля.
Эффект Поккельса возникает в кристаллах, в которых отсутствует инверсионная симметрия , таких как монокалийфосфат ( KH 2 PO 4 , сокр. KDP), дидейтерийфосфат калия ( KD 2 PO 4 , сокр. KD*P или DKDP), ниобат лития ( LiNbO 3 ), бета-борат бария (BBO), титанат бария (BTO) и в других нецентросимметричных средах, таких как полимеры или стекла с электрическим полем. Эффект Поккельса был выяснен путем обширного изучения электрооптических свойств в материалах, таких как KDP. [3]
Ключевым компонентом ячейки Поккельса является нецентросимметричный монокристалл с оптической осью, показатель преломления которого контролируется внешним электрическим полем. Другими словами, эффект Поккельса является основой работы ячеек Поккельса. Управляя показателем преломления, оптическое замедление кристалла изменяется, так что изменяется состояние поляризации падающего светового пучка. Поэтому ячейки Поккельса используются в качестве волновых пластин, управляемых напряжением , а также в других фотонных приложениях. См. приложения ниже для использования. Ячейки Поккельса делятся на две конфигурации в зависимости от электрооптических свойств кристаллов: продольные и поперечные.
Продольные ячейки Поккельса работают с электрическим полем, приложенным вдоль оптической оси кристалла или вдоль распространения падающего луча. К таким кристаллам относятся KDP, KD*P и ADP. Электроды покрыты прозрачными металлическими оксидными пленками на гранях кристалла, через которые распространяется луч, или металлическими кольцами (обычно из золота), нанесенными вокруг тела кристалла. Клеммы для подачи напряжения контактируют с электродами. Оптическое замедление Δφ для продольных ячеек Поккельса пропорционально обычному показателю преломления n o , электрооптической постоянной r 63 (единицы м/В) и приложенному напряжению V и обратно пропорционально длине волны падающего луча λ 0 . Например, полуволновое напряжение составляет приблизительно 7,6 кВ для кристалла KDP с n o = 1,51, r 63 = 10,6X10-12 м/В при λ 0 и Δφ = π. [4] Преимущество использования продольных ячеек Поккельса заключается в том, что требования к напряжению для четвертьволнового или полуволнового замедления не зависят от длины или диаметра кристалла.
Поперечные ячейки Поккельса работают с электрическим полем, приложенным перпендикулярно распространению пучка. Кристаллы, используемые в поперечных ячейках Поккельса, включают BBO, LiNbO 3 , CdTe , ZnSe , и CdSe . [5] Длинные стороны кристалла покрыты электродами. Оптическое замедление Δφ для поперечных ячеек Поккельса аналогично оптическому замедлению продольных ячеек Поккельса, но оно зависит от размеров кристалла. Требования к напряжению четвертьволны или полуволны увеличиваются с размером апертуры кристалла, но требования можно уменьшить, удлинив кристалл.
В поперечную ячейку Поккельса можно включить два или более кристалла. Одна из причин — снижение требуемого напряжения за счет увеличения общей длины ячейки Поккельса. Другая причина — тот факт, что KDP является двуосным и обладает двумя электрооптическими константами, r 63 для продольной конфигурации и r 41 для поперечной конфигурации. Поперечная ячейка Поккельса, использующая KDP (или один из его изоморфов), состоит из двух кристаллов в противоположной ориентации, которые вместе дают волновую пластину нулевого порядка при отключении напряжения. Это часто не идеально и дрейфует с температурой. Но механическое выравнивание оси кристалла не так критично и часто выполняется вручную без винтов; в то время как несовпадение приводит к некоторой энергии в неправильном луче (либо e , либо o — например, горизонтальном или вертикальном), в отличие от продольного случая, потери не усиливаются по длине кристалла.
Выравнивание оси кристалла с осью луча имеет решающее значение, независимо от конфигурации. Несовпадение приводит к двойному лучепреломлению и большому сдвигу фаз по длинному кристаллу. Это приводит к вращению поляризации , если выравнивание не является точно параллельным или перпендикулярным поляризации.
Из-за высокой относительной диэлектрической проницаемости ε r ≈ 36 внутри кристалла изменения в электрическом поле распространяются со скоростью всего лишь c /6. Таким образом, быстрые неволоконные оптические ячейки встраиваются в согласованную линию передачи. Размещение их в конце линии передачи приводит к отражениям и удвоению времени переключения. Сигнал от драйвера разделяется на параллельные линии, которые ведут к обоим концам кристалла. Когда они встречаются в кристалле, их напряжения складываются. Ячейки Поккельса для волоконной оптики могут использовать конструкцию бегущей волны для снижения требований к току и увеличения скорости.
Используемые кристаллы также демонстрируют пьезоэлектрический эффект в некоторой степени [6] (RTP ( RbTiOPO 4 ) имеет самый низкий, BBO и ниобат лития - самый высокий). После изменения напряжения звуковые волны начинают распространяться от сторон кристалла к середине. Это важно не для импульсных датчиков, а для окон коробчатого типа . Защитное пространство между светом и гранями кристаллов должно быть больше для более длительного времени удержания. За звуковой волной кристалл остается деформированным в положении равновесия для сильного электрического поля. Это увеличивает поляризацию. Из-за роста поляризованного объема электрическое поле в кристалле перед волной линейно увеличивается, или драйвер должен обеспечивать постоянную утечку тока.
Ячейка Поккельса по своей конструкции представляет собой конденсатор и часто требует высокого напряжения для изменения состояния поляризации лазерного луча для эффективной работы в качестве переключаемой волновой пластины. Требуемое напряжение зависит от типа ячейки Поккельса, длины волны света и размера кристалла; но обычно диапазон напряжения составляет порядка 1-10 кВ. Драйверы ячеек Поккельса обеспечивают это высокое напряжение в виде очень быстрых импульсов, которые обычно имеют время нарастания менее 10 наносекунд.
В основном существуют два типа драйверов: быстрый или Q-привод, который имеет быстрое время нарастания, а затем медленно затухает. Ячейка Поккельса, которая использует Q-привод, иногда называется Q-переключателем. Другой тип драйвера называется регенеративным или R-приводом. R-приводы будут иметь быстрое время нарастания и быстрое время спада. Ширина выходного импульса драйвера может составлять от наносекунд до микросекунд, в зависимости от применения. Тип привода и его частота повторения будут зависеть от лазера и предполагаемого применения.
Ячейки Поккельса используются в различных научных и технических приложениях. Ячейка Поккельса, объединенная с поляризатором, может использоваться для переключения между начальным состоянием поляризации и задержкой фазы полуволны, создавая быстрый затвор, способный «открываться» и «закрываться» за наносекунды . Тот же метод может использоваться для печати информации на луче путем модуляции вращения между 0° и 90°; интенсивность выходящего луча , при просмотре через поляризатор, содержит амплитудно-модулированный сигнал. Этот модулированный сигнал может использоваться для измерений электрического поля с временным разрешением, когда кристалл подвергается воздействию неизвестного электрического поля. [7] [8]
Ячейки Поккельса используются в качестве модулятора добротности для генерации короткого высокоинтенсивного лазерного импульса. Ячейка Поккельса предотвращает оптическое усиление, вводя поляризационно-зависимые потери в лазерный резонатор. Это позволяет усиливающей среде иметь высокую инверсию населенности . Когда усиливающая среда имеет желаемую инверсию населенности , ячейка Поккельса переключается в «открытое» состояние, и создается короткий высокоэнергетический лазерный импульс. Лазеры с модулятором добротности используются в различных приложениях, таких как медицинская эстетика, метрология, производство и голография.
Еще одним применением, использующим ячейку Поккельса, является выборка импульсов. Обычно выборщик импульсов состоит из осциллятора, электрооптического модулятора, усилителей, высоковольтного драйвера и модулятора удвоения частоты вместе с ячейкой Поккельса. [9] Ячейка Поккельса может выбирать импульс из пучка, индуцированного лазером, блокируя остальные с помощью синхронизированного электрооптического переключения.
Ячейки Поккельса также используются в регенеративных усилителях , усилении чирпированных импульсов и резонаторном дампинге для пропускания оптической мощности внутрь и наружу лазеров и оптических усилителей. [10]
Ячейки Поккельса можно использовать для распределения квантового ключа путем поляризации фотонов .
Ячейки Поккельса в сочетании с другими ЭО-элементами могут быть объединены для формирования электрооптических зондов.
Ячейка Поккельса использовалась инженерами MCA Disco-Vision ( DiscoVision ) в системе оптического мастеринга видеодисков. Свет от аргоново-ионного лазера пропускался через ячейку Поккельса для создания импульсных модуляций, соответствующих исходным FM-видео- и аудиосигналам, которые должны были быть записаны на мастер-видеодиск. MCA использовала ячейку Поккельса в мастеринге видеодисков до продажи Pioneer Electronics. Чтобы повысить качество записей, MCA запатентовала стабилизатор ячейки Поккельса, который уменьшал искажение второй гармоники, которое могло быть создано ячейкой Поккельса во время мастеринга. MCA использовала либо систему мастеринга DRAW (Direct Read After Write), либо систему фоторезиста. Первоначально предпочтительнее была система DRAW, поскольку она не требовала условий чистой комнаты во время записи диска и позволяла мгновенно проверять качество во время мастеринга. Оригинальные односторонние тестовые тиражи 1976/77 годов были обработаны с помощью системы DRAW, как и «образовательные», неигровые издания при выпуске этого формата в декабре 1978 года.
Ячейки Поккельса используются в двухфотонной микроскопии для регулировки интенсивности передаваемого лазера в масштабе времени в микросекунды. [11]
В последние годы ячейки Поккельса используются в Национальном центре зажигания, расположенном в Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе . Каждая ячейка Поккельса для одного из 192 лазеров действует как оптическая ловушка перед выходом через усилитель. Лучи от всех 192 лазеров в конечном итоге сходятся на одной цели из дейтериево-тритиевого топлива в надежде вызвать реакцию синтеза. [12]
