Электр өрісінің әсерінен оптикалық ортаның сындыру көрсеткішінің сызықты өзгеруі

Кіріспе

Электр өрісінің әсерінен оптикалық ортаның сыну көрсеткішінің сызықтық өзгеруі

Оптикада Покель эффектісі немесе Покель электрооптикалық эффектісі – электр өрісі қолданылғанда оптикалық ортаның сыну көрсеткішінің бағытқа тәуелді сызықтық өзгеруі. Бұл эффект 1893 жылы зерттеген неміс физигі Фридрих Карл Альвин Покельс есімімен аталған. Сызықтық емес аналогы – Керр эффектісі, ол қолданылған электр өрісінің квадратына пропорционалды жылдамдықпен сыну көрсеткішінің өзгеруіне себеп болады. Оптикалық ортада Покель эффектісі қолданылатын электр өрісінің күшіне пропорционалды түрде өзгеретін екі қырлылықтың (birefringence) өзгеруін тудырады. Покель эффектісі инверсиялық симметриясы жоқ кристаллдарда, мысалы, монокалий фосфаты (KH2PO4, қысқ. KDP), калий дидеутерий фосфаты (KD2PO4, қысқ. KD*P немесе DKDP), литий ниобаты (LiNbO3), бета-барий бораты (BBO), барий титанаты (BTO) және электр өрісімен поляризацияланған полимерлер немесе шыны сияқты центрлік симметриясы жоқ басқа орталарда кездеседі. Покель эффектісі KDP сияқты материалдардың электрооптикалық қасиеттерін жан-жақты зерттеу арқылы анықталған.

Покельс жасушалары

Покельс жасушасының негізгі компоненті – сыртқы электр өрісімен басқарылатын сыну индексіне ие оптикалық осьтің центросимметриялық емес бір кристалл. Басқаша айтқанда, Покельс эффектісі Покельс жасушаларының жұмыс істеу принципінің негізі болып табылады. Сыну индексін басқару арқылы кристаллдың оптикалық кешігуі өзгереді, соның салдарынан түсетін жарық сәулесінің поляризациялық күйі өзгеріп, Покельс жасушалары кернеумен басқарылатын толқын пластиналары ретінде және басқа фотоникалық қолдануларда қолданылады. Қолданылуына қатысты мәліметтер төменде келтірілген. Покельс жасушалары кристаллдың электрооптикалық қасиеттеріне байланысты екі конфигурацияға бөлінеді: бойлық және көлденең. Бойлық Покельс жасушалары кристаллдың оптикалық осі бойымен немесе түсетін сәуленің таралу бағыты бойымен қолданылатын электр өрісімен жұмыс істейді. Мұндай кристаллдарға KDP, KD*P және ADP жатады. Электродтар кристалл беттеріне, сәуле өтетін жерге, мөлдір металл оксидінен жасалған қабықша түрінде немесе кристалл денеінің айналасына жабыстырылған металл сақиналар (әдетте алтыннан) түрінде жабыстырылады. Кернеуді қосу үшін терминалдар электродтармен жанасады. Бойлық Покельс жасушаларының оптикалық кешігуі Δφ, қалыпты сыну индексі no, электрооптикалық тұрақты r63 (өлшем бірлігі м/В), қолданылатын кернеу V және түсетін сәуленің толқын ұзындығы λ0-қа кері пропорционал. Мысалы, KDP кристаллы үшін no = 1.51, r63 = 10.6X10-12 м/В және λ0 болғанда, жарты толқындық кернеу шамамен 7.6 кВ-қа тең, ал Δφ = π. Бойлық Покельс жасушаларын пайдаланудың артықшылығы – жарты толқындық немесе ширек толқындық кешігуді қамтамасыз ету үшін қажетті кернеу кристаллдың ұзындығына немесе диаметріне тәуелді емес. Көлденең Покельс жасушалары электр өрісі сәуленің таралуына перпендикуляр бағытта қолданылғанда жұмыс істейді. Көлденең Покельс жасушаларында қолданылатын кристаллдарға BBO, LiNbO3, CdTe, ZnSe және CdSe жатады. Кристаллдың ұзын жақтары электродтармен қапталады. Көлденең Покельс жасушаларының оптикалық кешігуі Δφ бойлық Покельс жасушаларына ұқсас, бірақ ол кристаллдың өлшемдеріне байланысты. Ширек толқындық немесе жарты толқындық кернеу талаптары кристалл апертурасының мөлшеріне байланысты артады, бірақ кристаллдың ұзындығын арттыру арқылы талаптарды азайтуға болады. Көлденең Покельс жасушасына екі немесе одан да көп кристалл енгізілуі мүмкін. Мұның бір себебі – Покельс жасушасының жалпы ұзындығын арттыру арқылы кернеу талабын азайту. Тағы бір себебі – KDP екі осьті және екі электрооптикалық тұрақтыға ие: r63 – бойлық конфигурация үшін, ал r41 – көлденең конфигурация үшін. KDP (немесе оның изоморфтарының бірі) қолданылатын көлденең Покельс жасушасы кернеу өшірілген кезде нөлдік реттік толқын пластинасын беретін қарама-қарсы бағыттағы екі кристаллдан тұрады. Бұл көбінесе толық емес және температураға байланысты өзгереді. Бірақ кристалл осінің механикалық сәйкестігі соншалықты маңызды емес және көбінесе бұрандаларсыз қолмен жасалады; дұрыс емес сәйкестік сәуленің дұрыс бағытында (мысалы, көлденең немесе тік) энергияның жоғалуына әкеледі, ал бойлық жағдайда қарағанда, жоғалту кристаллдың ұзындығы бойынша күшейе бермейді. Конфигурациясына қарамастан, кристалл осінің сәуле осімен сәйкестігі маңызды. Дұрыс емес сәйкестік екі қырлылыққа және ұзын кристалда үлкен фазалық ығысуға әкеледі. Бұл поляризацияның бұрылуына әкеледі, егер сәйкестік поляризацияға дәл параллель немесе перпендикуляр болмаса.

The key component of a Pockels cell is a non centrosymmetric single crystal with an optic axis whose refractive index is controlled by an external electric field. In other words, the Pockels effect is the basis of the operation of Pockels cells. By controlling the refractive index, the optical retardance of the crystal is altered so the polarization state of incident light beam is changed. Therefore, Pockels cells are used as voltage controlled wave plates as well as other photonics applications. See applications below for uses. Pockels cells are divided into two configurations depending on the crystals' electro optic properties: longitudinal and transverse. Longitudinal Pockels cells operate with electric field applied along the crystal optic axis or along incident beam propagation. Such crystals include KDP, KD*P, and ADP. Electrodes are coated as transparent metal oxide films on crystal faces where the beam is propagating through or metal rings (usually made out of gold) coated around the crystal body. Terminals for voltage application are in contact with the electrodes. The optical retardance Δφ for longitudinal Pockels cells proportional to the ordinary refractive index no, electro optic constant r63 (units of m/V), and applied voltage V and inversely proportional to the incident beam wavelength λ0. For an example, the halfwave voltage is approximately 7.6 kV for a KDP crystal with a no = 1.51, r63 = 10.6X10 12 m/V at λ0, and Δφ = π. The advantage of using longitudinal Pockels cells is that the voltage requirements for quarter wave or half wave retardance is not dependent on crystal length or diameter. Transverse Pockels cells operate with electric field being applied perpendicular to beam propagation. Crystals used in transverse Pockels cells include BBO, LiNbO3, CdTe, ZnSe, and CdSe. The long sides of the crystal are coated with electrodes. Optical retardance Δφ for transverse Pockels cells is similar to that of longitudinal Pockels cells but it is dependent on crystal dimensions. The quarter wave or half wave voltage requirements increase with crystal aperture size, but the requirements can be reduced by lengthening the crystal. Two or more crystal can be incorporated into a transverse Pockels cell. One reason is to reduce the voltage requirement by extending the overall length of the Pockels cell. Another reason is the fact that KDP is biaxial and possesses two electro optic constants, r 63 for longitudinal configuration and r 41 for transverse configuration. A transverse Pockels cell that uses a KDP (or one of its isomorphs) consists of two crystals in opposite orientation, which together give a zero order waveplate when the voltage is turned off. This is often not perfect and drifts with temperature. But the mechanical alignment of the crystal axis is not so critical and is often done by hand without screws; while misalignment leads to some energy in the wrong ray (either e or o for example, horizontal or vertical), in contrast to the longitudinal case, the loss is not amplified through the length of the crystal. Alignment of the crystal axis with the ray axis is critical, regardless of configuration. Misalignment leads to birefringence and to a large phase shift across the long crystal. This leads to polarization rotation if the alignment is not exactly parallel or perpendicular to the polarization.

Ұяшық ішіндегі динамика

Кристаллдың ішіндегі εr ≈ 36-ның жоғары салыстырмалы диэлектрлік тұрақтылығынан электр өрісінің өзгерулері тек c/6 жылдамдығымен таралады. Сондықтан, жылдам әрекет ететін оптикалық талшықтарды қолданбайтын жасушалар сәйкестендірілген тарату желісіне енгізіледі. Оны тарату желісінің соңына орналастыру, кері байланыс тудырып, ауысу уақытын еселейді. Жүргізушіден келетін сигнал кристаллдың екі шетіне жететін параллель желілерге бөлінеді. Олар кристаллда кездескенде, олардың кернеулері қосылады. Талшықты оптикаға арналған Покельс жасушалары ток тұтынуын азайту және жылдамдықты арттыру үшін жүретін толқын қағидатын қолдануы мүмкін. Қолданылатын кристалдар да белгілі бір деңгейде пьезоэлектрлік эффект көрсетеді (RTP (|RbTiOPO4) ең төменгі мәнге ие, ал BBO және литий ниобаты ең жоғары). Кернеу өзгергеннен кейін, дыбыс толқындары кристаллдың шеттерінен ортаға қарай тарала бастайды. Бұл импульстік таңдау үшін емес, кері байланыс терезелері үшін маңызды. Жарық сәулесі мен кристалл беттері арасындағы қауіпсіз кеңістік ұзақ уақыт сақтау үшін үлкен болуы керек. Дыбыс толқынынан кейін кристалл жоғары электр өрісінде тепе-теңдік күйінде деформацияланған күйде қалады. Бұл поляризацияны арттырады. Поляризацияланған көлемнің өсуіне байланысты, толқын алдындағы кристаллдағы электр өрісі сызықты түрде күшейеді немесе жүргізуші тұрақты токтың ағынын қамтамасыз етуі керек.

Жүргізуші электроникасы

Покельс жасушасы конструкциясы бойынша конденсатор болып табылады және лазер сәулесінің поляризация күйін өзгерту үшін көбінесе жоғары кернеуді қажет етеді, бұл оны тиімді түрде қосылатын толқын тақтасы ретінде жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Қажетті кернеу Покельс жасушасының түріне, жарықтың толқын ұзындығына және кристаллдың өлшеміне байланысты, бірақ әдетте кернеу диапазоны 1-10 кВ шамасында болады. Покельс жасушасының драйверлері осы жоғары кернеуді өте жылдам импульстар түрінде қамтамасыз етеді, олардың өсу уақыты көбінесе 10 наносекундтан кем болады. Драйверлердің негізгі екі түрі бар: жылдам немесе Q-драйв, ол жылдам көтеріліп, содан кейін баяу төмендейді. Q-драйвты пайдаланатын Покельс жасушасы кейде Q-коммутатор деп аталады. Драйвердің екінші түрі – регенеративті немесе R-драйв. R-драйвтар жылдам көтерілу және жылдам құлау уақытына ие. Драйвердің шығыс импульсының ұзақтығы қолданылуына байланысты наносекундтардан микросекундтарға дейін болуы мүмкін. Драйвтың түрі және оның қайталану жиілігі лазерге және арналған қолдануға байланысты болады.

Қолданбалар

Покельс жасушалары түрлі ғылыми және техникалық қолданыстарда пайдаланылады. Покельс жасушасы поляризатормен біріктіріліп, бастапқы поляризация күйі мен жарты толқын фазалық кешігу арасында ауысу үшін қолданылуы мүмкін, бұл наносекундтар ішінде "ашылу" және "жабылу" қабілетіне ие жылдам жапқыш құрады. Осы техниканы 0° және 90° арасындағы айналуды модуляциялау арқылы сәуледе ақпаратты бейнелеу үшін де қолдануға болады; поляризатор арқылы қарағанда, шығатын сәуленің қарқындылығы амплитудалық модуляцияланған сигналды қамтиды. Бұл модуляцияланған сигнал кристалл белгісіз электр өрісіне ұшырағанда уақыт бойынша шешілетін электр өрісін өлшеу үшін қолданылуы мүмкін. Покельс жасушалары қысқа, жоғары интенсивті лазерлік импульстерді жасау үшін Q-свитч ретінде қолданылады. Покельс жасушасы лазерлік резонаторда поляризацияға тәуелді шығынды енгізу арқылы оптикалық күшейтуге кедерілді етеді. Бұл күшейту ортасының жоғары популяциялық инверсияға ие болуына мүмкіндік береді. Күшейту ортасы қажетті популяциялық инверсияға жеткен кезде, Покельс жасушасы "ашылады" және қысқа, жоғары энергиялы лазерлік импульс пайда болады. Q-свитчтелген лазерлер медициналық эстетика, метрология, өндіріс және голография сияқты әртүрлі салаларда қолданылады. Импульсті таңдау – Покельс жасушасын пайдаланатын тағы бір қолданыс. Импульсті таңдаушы әдетте осциллятордан, электрооптикалық модулятордан, күшейткіштерден, жоғары кернеу драйверінен және жиілікті екі еселеу модуляторынан, сондай-ақ Покельс жасушасынан тұрады. Покельс жасушасы лазерлік импульстің бір шоғырын ұстап алады, ал қалғандарын синхронды электрооптикалық ауыстыру арқылы тоқтатады. Покельс жасушалары регенеративті күшейткіштерде, кең таспалы импульсті күшейтуде және лазерлер мен оптикалық күшейткіштерден оптикалық қуатты шығару/кіргізу үшін резонаторлық босатуда да қолданылады. Покельс жасушалары фотондарды поляризациялау арқылы кванттық кілт тарату үшін де пайдаланылуы мүмкін. Покельс жасушалары басқа электрооптикалық элементтермен біріктіріліп электрооптикалық зондтарды құрауы мүмкін. MCA Disco Vision (DiscoVision) инженерлері оптикалық видеодискіні жасау жүйесінде Покельс жасушасын қолданды. Аргон иондық лазерден шыққан жарық Покельс жасушасы арқылы өтіп, негізгі видеодискіге жазылатын бастапқы FM видео және аудио сигналдарына сәйкес импульстік модуляцияларды жасады. MCA компаниясы Pioneer Electronics компаниясына сатылғанға дейін видеодискіні жасауда Покельс жасушасын пайдаланды. Жазу сапасын арттыру үшін MCA Покельс жасушасы жасау кезінде туындауы мүмкін екінші гармоникалық бұрмалауды азайтатын Покельс жасушасын тұрақтандыратын құрылмын патенттеді. MCA DRAW (жазудан кейін тікелей оқу) жасау жүйесін немесе фоторезист жүйесін қолданды. DRAW жүйесі бастапқыда артықшылықты иеленді, себебі ол дискіні жазу кезінде таза бөлме жағдайын қажет етпеді және жасау кезінде сапаны дереу тексеруге мүмкіндік берді. 1976/77 жылдарғы түпнұсқа бір жақты сынақ дискілері, сондай-ақ 1978 жылдың желтоқсанында форматтың шығарылымындағы "оқулық" емес фильмдер DRAW жүйесімен жасалды. Покельс жасушалары екі фотондық микроскопияда қолданылады. Соңғы жылдары Покельс жасушалары Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасында орналасқан Ұлттық тұтандыру қондырғысында қолданылады. 192 лазердің әрқайсысы күшейткіштен шығар алдында оптикалық тұзақ ретінде әрекет етеді. 192 лазердің сәулелері бір уақытта дютерий-тритий отынның бір нысанасына жиналады, синтез реакциясын тудыруға үміттенеді.

Pockels cells are used in a variety of scientific and technical applications. A Pockels cell, combined with a polarizer, can be used for switching between initial polarization state and half wave phase retardance, creating a fast shutter capable of "opening" and "closing" in nanoseconds. The same technique can be used to impress information on the beam by modulating the rotation between 0° and 90°; the exiting beam's intensity, when viewed through the polarizer, contains an amplitude modulated signal. This modulated signal can be used for time resolved electric field measurements when a crystal is exposed to an unknown electric field. Pockels cells are used as a Q switch to generate short, high intensity laser pulse. The Pockels cell prevents optical amplification by introducing a polarization dependent loss in the laser cavity. This allows the gain medium to have a high population inversion. When the gain medium has the desired population inversion, the Pockels cell is switched "open", and a short high energy laser pulse is created. Q switched lasers are used in a variety of applications, such as medical aesthetics, metrology, manufacturing, and holography. Pulse picking is another application that uses a Pockels cell. A pulse picker is typically composed of an oscillator, electro optic modulator, amplifiers, high voltage driver, and a frequency doubling modulator along with a Pockels cell. The Pockels cell can pick up a pulse from a laser induced bunch while blocking the rest by synchronized electro optic switching. Pockels cells are also used in regenerative amplifiers, chirped pulse amplification, and cavity dumping to let optical power in and out of lasers and optical amplifiers. Pockels cells can be used for quantum key distribution by polarizing photons. Pockels cells in conjunction with other EO elements can be combined to form electro optic probes. A Pockels cell was used by MCA Disco Vision (DiscoVision) engineers in the optical videodisc mastering system. Light from an argon ion laser was passed through the Pockels cell to create pulse modulations corresponding to the original FM video and audio signals to be recorded on the master videodisc. MCA used the Pockels cell in videodisc mastering until the sale to Pioneer Electronics. To increase the quality of the recordings, MCA patented a Pockels cell stabilizer that reduced the second harmonic distortion that could be created by the Pockels cell during mastering. MCA used either a DRAW (Direct Read After Write) mastering system or a photoresist system. The DRAW system was originally preferred, since it didn't require clean room conditions during disc recording and allowed instant quality checking during mastering. The original single sided test pressings from 1976/77 were mastered with the DRAW system as were the "educational", non feature titles at the format's release in December 1978. Pockels cells are used in two photon microscopy. In recent years, Pockels cells are employed at the National Ignition Facility located at Lawrence Livermore National Laboratory. Each Pockels cell for one of the 192 lasers acts as an optical trap before exiting through an amplifier. The beams from all of the 192 lasers eventually converge onto a single target of deuterium tritium fuel in hopes to trigger a fusion reaction.