Линейное изменение показателя преломления в электрическом поле (Pockels эффект)

Введение

Линейное изменение показателя преломления оптических сред под воздействием электрического поля

В оптике эффект Покельса, или электрооптический эффект Покельса, представляет собой направленно-зависимое линейное изменение показателя преломления оптической среды, возникающее при приложении электрического поля. Эффект назван в честь немецкого физика Фридриха Карла Альвина Покельса, который исследовал его в 1893 году. Нелинейный аналог, эффект Керра, вызывает изменения показателя преломления, скорость которых пропорциональна квадрату приложенного электрического поля. В оптических средах эффект Покельса вызывает изменения двулучепреломления, которые изменяются пропорционально величине приложенного электрического поля. Эффект Покельса наблюдается в кристаллах, не обладающих инверсионной симметрией, таких как монокалийфосфат (KH2PO4, аббр. KDP), калий-дидеутерийфосфат (KD2PO4, аббр. KD*P или DKDP), ниобат лития (LiNbO3), бета-борат бария (BBO), титанат бария (BTO), а также в других нецентрасимметричных средах, таких как полимеры или стекла, поляризованные электрическим полем. Эффект Покельса был детально изучен посредством всестороннего исследования электрооптических свойств материалов, таких как КДП.

Клетки Покельса

Ключевым компонентом ячейки Покельса является нецентрисимметричный монокристалл с оптической осью, показатель преломления которого управляется внешним электрическим полем. Иными словами, эффект Покельса лежит в основе работы ячеек Покельса. Управляя показателем преломления, изменяется оптическая задержка кристалла, что приводит к изменению состояния поляризации падающего светового пучка. Следовательно, ячейки Покельса используются в качестве волновых пластин с управлением напряжением, а также в других фотонных приложениях. См. раздел «Применение» ниже. Ячейки Покельса подразделяются на две конфигурации в зависимости от электрооптических свойств кристаллов: продольную и поперечную. Продольные ячейки Покельса работают с электрическим полем, приложенным вдоль кристаллической оптической оси или вдоль направления распространения падающего пучка. К таким кристаллам относятся КДП, КД*П и АДП. Электроды наносятся в виде прозрачных оксидных металлических пленок на грани кристалла, через которые проходит пучок, или в виде металлических колец (обычно золотых), нанесенных вокруг тела кристалла. К электродам подведены контакты для подачи напряжения. Оптическая задержка Δφ для продольных ячеек Покельса пропорциональна обычному показателю преломления no, электрооптической константе r63 (единицы измерения м/В) и приложенному напряжению V и обратно пропорциональна длине волны падающего пучка λ0. Например, полуволновое напряжение составляет приблизительно 7,6 кВ для кристалла KDP с no = 1,51, r63 = 10,6 × 10⁻¹² м/В при λ0 и Δφ = π. Преимущество использования продольных ячеек Покельса заключается в том, что требования к напряжению для четвертьволновой или полуволновой задержки не зависят от длины или диаметра кристалла. Поперечные ячейки Покельса работают с электрическим полем, приложенным перпендикулярно направлению распространения пучка. Кристаллы, используемые в поперечных ячейках Покельса, включают BBO, LiNbO3, CdTe, ZnSe и CdSe. Длинные стороны кристалла покрыты электродами. Оптическая задержка Δφ для поперечных ячеек Покельса аналогична таковой для продольных ячеек Покельса, но зависит от размеров кристалла. Требования к четвертьволновому или полуволновому напряжению увеличиваются с увеличением апертуры кристалла, но их можно уменьшить, удлинив кристалл. В поперечную ячейку Покельса можно включить два или более кристаллов. Одна из причин – снижение требования к напряжению за счет увеличения общей длины ячейки Покельса. Другая причина заключается в том, что KDP является двуосным и обладает двумя электрооптическими константами: r63 для продольной конфигурации и r41 для поперечной конфигурации. Поперечная ячейка Покельса, использующая KDP (или один из его изоморфов), состоит из двух кристаллов с противоположной ориентацией, которые вместе образуют волновой пластин нулевого порядка при выключенном напряжении. Это часто не идеально и подвержено температурному дрейфу. Однако механическое выравнивание кристаллической оси не является критичным и часто выполняется вручную, без использования винтов; в то время как неправильное выравнивание приводит к некоторой энергии в неправильном луче (например, в обычном или необычном, горизонтальном или вертикальном), в отличие от продольного случая, потери не усиливаются по длине кристалла. Выравнивание кристаллической оси с осью пучка имеет решающее значение, независимо от конфигурации. Неправильное выравнивание приводит к двулучепреломлению и большой фазовой разнице на длинном кристалле. Это приводит к вращению поляризации, если выравнивание не является точно параллельным или перпендикулярным поляризации.

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.

Динамика внутри клетки

Из-за высокой относительной диэлектрической проницаемости εr ≈ 36 внутри кристалла, изменения электрического поля распространяются со скоростью всего c/6. Поэтому быстрые неволоконно-оптические ячейки встраиваются в согласованную линию передачи. Размещение ячейки на конце линии передачи приводит к отражениям и увеличению времени переключения вдвое. Сигнал от драйвера разделяется на параллельные линии, подводящие к обоим концам кристалла. При встрече в кристалле их напряжения складываются. Ячейки Покельса для волоконной оптики могут использовать конструкцию с бегущей волной для снижения требований к току и повышения скорости. Пригодные для использования кристаллы в некоторой степени также проявляют пьезоэлектрический эффект (RTP (|RbTiOPO4) обладает наименьшим, BBO и ниобат лития – наибольшим). После изменения напряжения звуковые волны начинают распространяться от боковых поверхностей кристалла к центру. Это важно не для импульсных формирователей, а для окон временных селекторов. Зазор между световым пучком и гранями кристалла должен быть больше для увеличения времени удержания. За звуковой волной кристалл остается деформированным в положении равновесия при высоком электрическом поле, что увеличивает поляризацию. Вследствие роста поляризованного объема электрическое поле в кристалле перед волной возрастает линейно, либо драйвер должен обеспечивать постоянную утечку тока.

Электроника водителя

Клетка Покельса по своей конструкции является конденсатором и часто требует высокого напряжения для изменения состояния поляризации лазерного луча, чтобы эффективно функционировать как переключаемая волноводная пластинка. Необходимое напряжение зависит от типа ячейки Покельса, длины волны света и размера кристалла, но обычно находится в диапазоне от 1 до 10 кВ. Драйверы для ячеек Покельса обеспечивают это высокое напряжение в виде очень быстрых импульсов, которые обычно имеют время нарастания менее 10 наносекунд. Существуют два основных типа драйверов: Q-драйв, характеризующийся быстрым временем нарастания и последующим медленным спадом, и R-драйв. Ячейка Покельса, использующая Q-драйв, иногда называется Q-переключателем. R-драйвы, в свою очередь, имеют быстрое время нарастания и быстрое время спада. Ширина выходного импульса драйвера может варьироваться от наносекунд до микросекунд в зависимости от области применения. Выбор типа драйвера и частота повторения импульсов зависят от характеристик лазера и поставленной задачи.

Приложения

Клетки Покельса используются в широком спектре научных и технических приложений. Клетка Покельса, в сочетании с поляризатором, может использоваться для переключения между исходным состоянием поляризации и фазовой задержкой в полволны, создавая быстрый затвор, способный "открываться" и "закрываться" за наносекунды. Та же техника может быть использована для передачи информации на луч путем модуляции вращения между 0° и 90°; интенсивность выходящего луча, наблюдаемая через поляризатор, содержит амплитудно-модулированный сигнал. Этот модулированный сигнал может быть использован для измерений электрического поля во времени, когда кристалл подвергается воздействию неизвестного электрического поля. Клетки Покельса используются в качестве Q-переключателя для генерации коротких, высокоинтенсивных лазерных импульсов. Клетка Покельса предотвращает оптическое усиление, внося зависимые от поляризации потери в лазерный резонатор. Это позволяет рабочей среде достичь высокой инверсии населенностей. Когда рабочая среда достигает необходимой инверсии населенностей, ячейка Покельса переключается в "открытое" состояние, и создается короткий высокоэнергетический лазерный импульс. Q-переключенные лазеры используются в различных областях, таких как медицинская эстетика, метрология, производство и голография. Выбор импульсов – еще одно применение, использующее ячейку Покельса. Выборщик импульсов обычно состоит из генератора, электрооптического модулятора, усилителей, драйвера высокого напряжения и модулятора удвоения частоты, а также ячейки Покельса. Ячейка Покельса может захватывать импульс из лазерного пучка, блокируя остальные посредством синхронизированного электрооптического переключения. Клетки Покельса также используются в регенеративных усилителях, усилении с растяжением импульса и сбросе резонатора для ввода и вывода оптической мощности из лазеров и оптических усилителей. Клетки Покельса могут использоваться для квантового распределения ключей путем поляризации фотонов. Клетки Покельса в сочетании с другими ЭО-элементами могут быть объединены для формирования электрооптических зондов. Ячейка Покельса была использована инженерами MCA Disco Vision (DiscoVision) в системе оптического мастеринга видеодисков. Свет от аргон-ионного лазера пропускался через ячейку Покельса для создания импульсной модуляции, соответствующей исходным FM-видео- и аудиосигналам, которые должны были быть записаны на мастер-видеодиск. MCA использовала ячейку Покельса в мастеринге видеодисков до продажи компании Pioneer Electronics. Для повышения качества записей MCA запатентовала стабилизатор ячейки Покельса, который уменьшал вторые гармонические искажения, которые могли быть созданы ячейкой Покельса во время мастеринга. MCA использовала либо систему мастеринга DRAW (Direct Read After Write), либо систему с фоторезистом. Система DRAW первоначально была предпочтительнее, поскольку она не требовала условий чистой комнаты во время записи диска и позволяла проводить мгновенную проверку качества во время мастеринга. Оригинальные односторонние тестовые экземпляры 1976/77 годов были отмастерены с использованием системы DRAW, как и "образовательные" неполнометражные названия при выпуске формата в декабре 1978 года. Клетки Покельса используются в двухфотонной микроскопии. В последние годы ячейки Покельса используются в Национальном центре зажигания, расположенном в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора. Каждая ячейка Покельса для одного из 192 лазеров действует как оптическая ловушка перед выходом через усилитель. Лучи от всех 192 лазеров в конечном итоге сходятся на одной мишени из топлива дейтерия-трития в надежде вызвать реакцию термоядерного синтеза.

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.