Эффект Поккельса

В оптике эффект Поккельса , или электрооптический эффект Поккельса , представляет собой зависимое от направления линейное изменение показателя преломления , оптической среды которое возникает в ответ на приложение электрического поля . Он назван в честь немецкого физика Фридриха Карла Алвина Поккельса , изучавшего 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 двойного лучепреломления , которые изменяются пропорционально напряженности приложенного электрического поля.

Эффект Поккельса возникает в кристаллах, лишенных инверсионной симметрии , таких как монокалийфосфат ( KH ₂ PO ₄ , сокр. ДДП), калия дидейтерийфосфат ( КД ₂ ПО ₄ , сокр. КД*П или ДКДП), ниобат лития ( LiNbO ₃ ), бета-борат бария (BBO), титанат бария (BTO) и в других нецентросимметричных средах, таких как полимеры с поляризацией электрического поля или стекла. Эффект Поккельса был выяснен посредством обширного исследования электрооптических свойств таких материалов, как KDP. ^[3]

Клетки Поккельса

Ключевым компонентом ячейки Поккельса является нецентросимметричный монокристалл с оптической осью, показатель преломления которого контролируется внешним электрическим полем. Другими словами, эффект Поккельса лежит в основе работы ячеек Поккельса. Контролируя показатель преломления, оптическое сопротивление кристалла изменяется, поэтому изменяется состояние поляризации падающего светового луча. Поэтому ячейки Поккельса используются в качестве волновых пластин, управляемых напряжением , а также в других приложениях фотоники. См. приложения ниже для использования. Ячейки Поккельса делятся на две конфигурации в зависимости от электрооптических свойств кристаллов: продольную и поперечную.

Продольные ячейки Поккельса работают с электрическим полем, приложенным вдоль кристаллооптической оси или вдоль распространения падающего луча. К таким кристаллам относятся KDP, KD*P и ADP. Электроды покрыты прозрачными пленками оксида металла на гранях кристалла, через которые распространяется луч, или металлическими кольцами (обычно сделанными 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 примерно 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 состоит в том, что требования к напряжению для четвертьволнового или полуволнового запаздывания не зависят от длины или диаметра кристалла.

Поперечные ячейки Поккельса работают с электрическим полем, приложенным перпендикулярно распространению луча. 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 таковому для продольных ячеек Поккельса, но зависит от размеров кристалла. Требования к четвертьволновому или полуволновому напряжению увеличиваются с увеличением размера апертуры кристалла, но требования можно уменьшить за счет удлинения кристалла.

Два или более кристалла могут быть включены в поперечную ячейку Поккельса. Одной из причин является снижение требований к напряжению за счет увеличения общей длины ячейки Поккельса. Другая причина заключается в том, что KDP является двухосным и обладает двумя электрооптическими константами: r ₆₃ для продольной конфигурации и r ₄₁ для поперечной конфигурации. Поперечная ячейка Поккельса, в которой используется KDP (или один из его изоморфов), состоит из двух кристаллов в противоположной ориентации, которые вместе образуют волновую пластинку нулевого порядка при выключении напряжения. Часто это не идеально и зависит от температуры. Но механическое выравнивание оси кристалла не столь критично и часто выполняется вручную без винтов; хотя смещение приводит к попаданию некоторой энергии в неправильный луч (либо e , либо o - например, горизонтальный или вертикальный), в отличие от продольного случая, потери не усиливаются по длине кристалла.

Выравнивание оси кристалла с осью луча имеет решающее значение, независимо от конфигурации. Несоосность приводит к двойному лучепреломлению и большому фазовому сдвигу в длинном кристалле. Это приводит к поляризации вращению , если выравнивание не совсем параллельно или перпендикулярно поляризации.

Динамика внутри клетки

Из-за высокой относительной диэлектрической проницаемости ε _r ≈ 36 внутри кристалла изменения электрического поля распространяются со скоростью всего c /6. Таким образом, быстрые неволоконные ячейки встраиваются в согласованную линию передачи. Размещение его в конце линии передачи приводит к отражениям и удвоению времени переключения. Сигнал от драйвера разделяется на параллельные линии, ведущие к обоим концам кристалла. Когда они встречаются в кристалле, их напряжения складываются.В ячейках Поккельса для оптоволокна может использоваться конструкция бегущей волны, чтобы снизить требования к току и увеличить скорость.

Используемые кристаллы также проявляют пьезоэлектрический эффект. в некоторой степени ^[6] ( РТП ( RbTiOPO ₄ ) имеет самый низкий уровень, BBO и ниобат лития — самый высокий). После изменения напряжения звуковые волны начинают распространяться от боковых сторон кристалла к середине. Это важно не для сборщиков импульсов , а для окон товарных вагонов . Защитное пространство между источником света и гранями кристаллов должно быть больше, чтобы обеспечить более длительное время удерживания.За звуковой волной кристалл остается деформированным в положении равновесия в сильном электрическом поле.Это увеличивает поляризацию. За счет роста поляризованного объема электрическое поле в кристалле перед волной увеличиваетсялинейно, либо драйвер должен обеспечивать постоянный ток утечки.

Электроника водителя

Ячейка Поккельса по своей конструкции представляет собой конденсатор и часто требует высокого напряжения для изменения состояния поляризации лазерного луча, чтобы эффективно работать 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, время нарастания которых обычно составляет менее 10 наносекунд.

В основном существует два типа драйверов: быстрый или Q-привод, который имеет быстрое время нарастания, а затем медленно затухает. Ячейку Поккельса, в которой используется добротность, иногда называют добротностью. Другой тип драйвера называется регенеративным или R-приводом. Приводы R будут иметь быстрое время нарастания и быстрое время спада. Длительность выходного импульса драйвера может составлять от наносекунд до микросекунд, в зависимости от приложения. Тип привода и частота его повторения будут зависеть от лазера и предполагаемого применения.

Приложения

Ячейки Поккельса используются в различных научных и технических приложениях. Ячейку Поккельса в сочетании с поляризатором можно использовать для переключения между начальным состоянием поляризации и задержкой фазы полуволны, создавая быстрый затвор, способный «открываться» и «закрываться» за наносекунды . Тот же метод можно использовать для передачи информации на луч путем модуляции вращения от 0 ° до 90 °; выходящего луча интенсивность , если смотреть через поляризатор, содержит амплитудно-модулированный сигнал. Этот модулированный сигнал можно использовать для измерений электрического поля с временным разрешением, когда кристалл подвергается воздействию неизвестного электрического поля. ^[7]^[8]

Ячейки Поккельса используются в качестве модуля добротности для генерации коротких лазерных импульсов высокой интенсивности. Ячейка Поккельса предотвращает оптическое усиление, внося в резонатор лазера потери, зависящие от поляризации. Это позволяет среде усиления иметь высокую инверсию населенности . Когда усиливающая среда имеет желаемую инверсию населенности , ячейка Поккельса переключается в «открытое положение», и создается короткий лазерный импульс высокой энергии. Лазеры с модуляцией добротности используются в различных областях, таких как медицинская эстетика, метрология, производство и голография.

Сбор импульсов — еще одно приложение, использующее ячейку Поккельса. Сборщик импульсов обычно состоит из генератора, электрооптического модулятора, усилителей, высоковольтного формирователя и модулятора удвоения частоты, а также ячейки Поккельса. ^[9] Ячейка Поккельса может улавливать импульс от пучка, индуцированного лазером, и блокировать остальные посредством синхронизированного электрооптического переключения.

Ячейки Поккельса также используются в регенеративных усилителях , усилении чирпированных импульсов и сбросе резонатора для пропуска оптической энергии на вход и выход из лазеров и оптических усилителей. ^[10]

Ячейки Поккельса можно использовать для распределения квантовых ключей путем поляризации фотонов .

Ячейки Поккельса в сочетании с другими элементами ЭО можно комбинировать для формирования электрооптических зондов.

Ячейка Поккельса использовалась инженерами MCA Disco-Vision ( ДискоВижн ) в системе оптического мастеринга видеодисков. Свет аргоно-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 при мастеринге видеодисков до продажи компании Pioneer Electronics. Чтобы повысить качество записей, MCA запатентовала стабилизатор ячейки Поккельса, который уменьшал искажения второй гармоники, которые могли создаваться ячейкой Поккельса во время мастеринга. MCA использовала либо систему мастеринга DRAW (прямое чтение после записи), либо систему фоторезиста. Первоначально предпочтение было отдано системе 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 года были освоены с помощью системы DRAW, как и «образовательные», неполноценные издания при выпуске формата в декабре 1978 года.

Клетки Поккельса используются в двухфотонной микроскопии .

В последние годы ячейки Поккельса используются в Национальной установке зажигания, расположенной в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса . Каждая ячейка Поккельса для одного из 192 лазеров действует как оптическая ловушка перед выходом через усилитель. Лучи всех 192 лазеров в конечном итоге сходятся на одной мишени из дейтерий-тритиевого топлива в надежде вызвать реакцию термоядерного синтеза. ^[11]

См. также

Ссылки

^ Поккельс, Ф. (1894). О влиянии электростатического поля на оптическое поведение пьезоэлектрических кристаллов . Трактаты Королевского общества наук в Геттингене (на немецком языке). Том 39. Геттинген: Дитрих. OCLC 55796322 .
^ Поккельс, Ф. (1906). Учебник кристаллооптики . Сборник учебников Б. Г. Тойбнера в области математических наук, включая их приложения (на немецком языке). Том 19. Лейпциг: Б. Г. Тойбнер. Стартовый код : 1906лекр.книга.....П . OCLC 864091434 .
^ «Электрооптические свойства KH2PO4 и изоморфов» (PDF) . Информационный лист . Кливленд Кристалс, Инк. 1976.
^ Хехт, Юджин (2002). Оптика (4-е изд.). Эддисон Уэсли. ISBN 0-8053-8566-5 .
^ «Свойства кристаллов II-VI» (PDF) . Информационный лист . Кливленд Кристалс, Инк. 1984.
^ Валасек, Дж. (1922). «Свойства сегнетовой соли, связанные с пьезоэлектрическим эффектом». Физический обзор . 20 (6): 639. doi : 10.1103/PhysRev.20.639 .
^ Консоли, Ф.; Де Анджелис, Р.; Дювилларе, Л.; Андреоли, Польша; Чиприани, М.; Кристофари, Г.; Ди Джорджио, Дж.; Ингенито, Ф.; Верона, К. (15 июня 2016 г.). «Абсолютные измерения с временным разрешением посредством электрооптического эффекта гигантских электромагнитных импульсов, обусловленных взаимодействием лазера и плазмы в наносекундном режиме» . Научные отчеты . 6 (1): 27889. Бибкод : 2016NatSR...627889C . дои : 10.1038/srep27889 . ПМК 4908660 . ПМИД 27301704 .
^ Робинсон, Т.С.; Консоли, Ф.; Гилтрап, С.; Эрдли, С.Дж.; Хикс, Г.С.; Диттер, Э.Дж.; Эттлингер, О.; Стюарт, Нью-Хэмпшир; Нотли, М.; Де Анджелис, Р.; Наджмудин З.; Смит, РА (20 апреля 2017 г.). «Малошумящее оптическое зондирование электромагнитных импульсов с временным разрешением в результате взаимодействия петаваттного лазера с веществом» . Научные отчеты . 7 (1): 983. Бибкод : 2017НатСР...7..983Р . дои : 10.1038/s41598-017-01063-1 . ПМЦ 5430545 . ПМИД 28428549 .
^ Чжао, Чжи (2020). «Сверхбыстрый метод улавливания лазерных импульсов для фотоинжекторов с высоким средним током и высокой яркостью» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 959 . Elsevier: 163586. Бибкод : 2020NIMPA.95963586Z . дои : 10.1016/j.nima.2020.163586 . S2CID 213227045 .
^ Пишон, Пьер; Талеб, Хусейн; Дрюон, Фредерик; Бланшо, Жан-Филипп; Жорж, Патрик; Балембуа, Франсуа (5 августа 2019 г.). «Перестраиваемый источник УФ-излучения на основе Cr:LiSAF-лазера со светодиодной накачкой и резонатором» . Оптика Экспресс . 27 (16): 23446–23453. Бибкод : 2019OExpr..2723446P . дои : 10.1364/OE.27.023446 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 31510620 . S2CID 201256144 .
^ «Как работает НИФ» . lasers.llnl.gov . Проверено 25 апреля 2023 г.

[1] Поккельс, Ф. (1894). О влиянии электростатического поля на оптическое поведение пьезоэлектрических кристаллов . Трактаты Королевского общества наук в Геттингене (на немецком языке). Том 39. Геттинген: Дитрих. OCLC 55796322 .

[2] Поккельс, Ф. (1906). Учебник кристаллооптики . Сборник учебников Б. Г. Тойбнера в области математических наук, включая их приложения (на немецком языке). Том 19. Лейпциг: Б. Г. Тойбнер. Стартовый код : 1906лекр.книга.....П . OCLC 864091434 .

[3] «Электрооптические свойства KH2PO4 и изоморфов» (PDF) . Информационный лист . Кливленд Кристалс, Инк. 1976.

[4] Хехт, Юджин (2002). Оптика (4-е изд.). Эддисон Уэсли. ISBN 0-8053-8566-5 .

[5] «Свойства кристаллов II-VI» (PDF) . Информационный лист . Кливленд Кристалс, Инк. 1984.

[6] Валасек, Дж. (1922). «Свойства сегнетовой соли, связанные с пьезоэлектрическим эффектом». Физический обзор . 20 (6): 639. doi : 10.1103/PhysRev.20.639 .

[7] Консоли, Ф.; Де Анджелис, Р.; Дювилларе, Л.; Андреоли, Польша; Чиприани, М.; Кристофари, Г.; Ди Джорджио, Дж.; Ингенито, Ф.; Верона, К. (15 июня 2016 г.). «Абсолютные измерения с временным разрешением посредством электрооптического эффекта гигантских электромагнитных импульсов, обусловленных взаимодействием лазера и плазмы в наносекундном режиме» . Научные отчеты . 6 (1): 27889. Бибкод : 2016NatSR...627889C . дои : 10.1038/srep27889 . ПМК 4908660 . ПМИД 27301704 .

[8] Робинсон, Т.С.; Консоли, Ф.; Гилтрап, С.; Эрдли, С.Дж.; Хикс, Г.С.; Диттер, Э.Дж.; Эттлингер, О.; Стюарт, Нью-Хэмпшир; Нотли, М.; Де Анджелис, Р.; Наджмудин З.; Смит, РА (20 апреля 2017 г.). «Малошумящее оптическое зондирование электромагнитных импульсов с временным разрешением в результате взаимодействия петаваттного лазера с веществом» . Научные отчеты . 7 (1): 983. Бибкод : 2017НатСР...7..983Р . дои : 10.1038/s41598-017-01063-1 . ПМЦ 5430545 . ПМИД 28428549 .

[9] Чжао, Чжи (2020). «Сверхбыстрый метод улавливания лазерных импульсов для фотоинжекторов с высоким средним током и высокой яркостью» . Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 959 . Elsevier: 163586. Бибкод : 2020NIMPA.95963586Z . дои : 10.1016/j.nima.2020.163586 . S2CID 213227045 .

[10] Пишон, Пьер; Талеб, Хусейн; Дрюон, Фредерик; Бланшо, Жан-Филипп; Жорж, Патрик; Балембуа, Франсуа (5 августа 2019 г.). «Перестраиваемый источник УФ-излучения на основе Cr:LiSAF-лазера со светодиодной накачкой и резонатором» . Оптика Экспресс . 27 (16): 23446–23453. Бибкод : 2019OExpr..2723446P . дои : 10.1364/OE.27.023446 . ISSN 1094-4087 . ПМИД 31510620 . S2CID 201256144 .

[11] «Как работает НИФ» . lasers.llnl.gov . Проверено 25 апреля 2023 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]