Эффект поккельса - Pockels effect

Схема ячейки Поккельса, модулирующей поляризацию света. В этом случае ячейка Поккельса действует как четвертьволновая пластинка, где линейно поляризованный свет преобразуется в свет с круговой поляризацией. С добавлением окна Брюстера (слева) это изменение поляризации может быть преобразовано в изменение интенсивности луча, передавая на p-поляризованном компоненте вектора.

В Эффект поккельса (после Фридрих Карл Алвин Покелс изучавший этот эффект в 1893 г.), или электрооптический эффект Поккельса, изменяет или производит двулучепреломление в оптической среде, индуцированной электрическое поле. В эффекте Поккельса, также известном как линейный электрооптический эффект, двулучепреломление пропорционально электрическому полю. в Эффект Керра изменение показателя преломления (двулучепреломление) пропорционально квадрату поля. Эффект Поккельса возникает только в кристаллах, не имеющих инверсионная симметрия, такие как ниобат лития и в других нецентросимметричных средах, таких как полимеры или стекла, поляризованные электрическим полем.

Клетки Поккельса

Ячейки Поккельса управляются напряжением волновые пластины. Эффект Поккельса лежит в основе действия Клетки Поккельса. Ячейки Поккельса могут использоваться для изменения поляризации проходящего луча. Увидеть Приложения ниже для использования.

Поперечная ячейка Поккельса состоит из двух кристаллов с противоположной ориентацией, которые вместе дают волновую пластину нулевого порядка при отключении напряжения. Это часто не идеально и зависит от температуры. Но механическое выравнивание оси кристалла не столь критично и часто выполняется вручную без винтов; в то время как несовпадение приводит к некоторой энергии в неправильном луче (либо е или о - например, горизонтальный или вертикальный), в отличие от продольного случая, потери не усиливаются по длине кристалла.

Электрическое поле может быть приложено к кристаллической среде либо продольно, либо поперек светового луча. Для продольных ячеек Поккельса необходимы прозрачные или кольцевые электроды. Требования к поперечному напряжению можно снизить за счет удлинения кристалла.

Совмещение оси кристалла с осью луча имеет решающее значение. Несоосность приводит к двулучепреломление и к большому фазовому сдвигу в длинном кристалле. Это ведет к поляризация вращение если выравнивание не совсем параллельно или перпендикулярно поляризации.

Динамика внутри ячейки

Из-за высокого относительного диэлектрическая постоянная из εр ≈ 36 внутри кристалла изменения электрического поля распространяются со скоростью всего c/ 6. Таким образом, быстрые неволоконно-оптические ячейки встраиваются в согласованную линию передачи. Размещение его в конце линии передачи приводит к отражениям и удвоению времени переключения. Сигнал от драйвера разбивается на параллельные линии, ведущие к обоим концам кристалла. Когда они встречаются в кристалле, их напряжения складываются. волоконная оптика может использовать конструкцию бегущей волны для снижения требований к току и увеличения скорости.

Используемые кристаллы также демонстрируют пьезоэлектрический эффект до некоторой степени[1] (RTP имеет самый низкий, BBO и ниобат лития высокие). После изменения напряжения звуковые волны начинают распространяться от сторон кристалла к середине. Это важно не для сборщики импульсов, но для окна товарного вагона. Защитное пространство между светом и гранями кристаллов должно быть больше для более длительного времени выдержки. За звуковой волной кристалл остается деформированным в положении равновесия для высокого электрического поля. Это увеличивает поляризацию. Из-за увеличения поляризованного объема электрическое поле в кристалле перед волной линейно увеличивается, или драйвер должен обеспечивать постоянную утечку тока.

Электроника драйвера

Драйвер должен выдерживать возвращаемое на него удвоенное напряжение. Клетки Поккельса ведут себя как конденсатор. При переключении их на высокое напряжение требуется высокий заряд; Следовательно, для переключения за 3 нс требуется около 40 А. Для апертуры 5 мм. Более короткие кабели уменьшают количество заряда, расходуемого на передачу тока в ячейку.

Драйвер может использовать множество транзисторов, соединенных параллельно и последовательно. Транзисторы являются плавающими и нуждаются в изоляции по постоянному току для своих затворов. Для этого сигнал затвора подключается через оптоволокно, или ворота ведут большой трансформатор. В этом случае необходима тщательная компенсация обратной связи для предотвращения колебаний.

В драйвере может использоваться каскад транзисторов и триод. В классической коммерческой схеме последний транзистор - IRF830. МОП-транзистор а триод - Eimac Y690 триод.Установка с одним триодом имеет наименьшую мощность; это даже оправдывает отключение ячейки путем подачи двойного напряжения. резистор обеспечивает ток утечки, необходимый кристаллу, а затем перезарядку накопительного конденсатора. Y690 переключает до 10 кВ, а катод выдает 40 А, если сеть включена + 400 В. В этом случае ток сети составляет 8 А, а входное сопротивление, таким образом, составляет 50 Ом, что соответствует стандарту. коаксиальные кабели Таким образом, полевой МОП-транзистор может быть размещен удаленно. Некоторые из 50 Ом расходуются на дополнительный резистор, который подает напряжение смещения на −100 В. IRF может переключать 500 вольт. Он может выдавать импульсный ток 18 А. Его выводы действуют как индуктивность, используется накопительный конденсатор, подключен коаксиальный кабель 50 Ом, полевой МОП-транзистор имеет внутреннее сопротивление, и, в конце концов, это критически затухающий Схема RLC, который запускается импульсом на затвор полевого МОП-транзистора.

Затвору необходимы импульсы 5 В (диапазон: ± 20 В) при 22 нКл. Таким образом, коэффициент усиления по току этого транзистора равен единице для переключения 3 нс, но он все еще имеет усиление по напряжению. Таким образом, теоретически он также может использоваться в общие ворота конфигурации, а не в общий источник Конфигурация. Транзисторы, которые переключают 40 В, обычно быстрее, поэтому на предыдущем этапе возможно усиление тока.

Применение ячеек Поккельса

Ячейки Поккельса используются во множестве научных и технических приложений. Ячейка Поккельса в сочетании с поляризатором может использоваться для переключения между отсутствием оптического вращения и поворотом на 90 °, создавая быстрый затвор, способный «открываться» и «закрываться» в наносекунды. Тот же метод можно использовать для передачи информации на луч, модулируя поворот от 0 ° до 90 °; выходящий луч интенсивность при просмотре 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.[2][3]

Ячейки Поккельса используются для предотвращения Обратная связь из лазер полость используя поляризационная призма. Это предотвращает оптическое усиление за счет направления света определенной поляризации из резонатора. Из-за этого получить средний перекачивается в высоковозбужденное состояние. Когда среда становится насыщенной энергией, ячейка Поккельса переключается в положение «открыто», и свет внутри резонатора может выйти. Это создает очень быстрый импульс высокой интенсивности. Q-переключение, усиление чирпированных импульсов, и сброс полости используйте эту технику.

Ячейки Поккельса можно использовать для квантовое распределение ключей от поляризующий фотоны.

Ячейки Поккельса в сочетании с другими элементами ЭО могут быть объединены в электрооптические зонды.

Ячейка Поккельса использовалась MCA Disco-Vision (DiscoVision ) инженеров в системе мастеринга оптических видеодисков. Свет от аргон-ионного лазера пропускался через ячейку Поккельса для создания импульсной модуляции, соответствующей исходным FM-видео и аудиосигналам, которые должны быть записаны на мастер-видеодиск. MCA использовала ячейку Поккельса при мастеринге видеодисков до продажи Pioneer Electronics. Чтобы повысить качество записи, MCA запатентовала стабилизатор ячейки Поккельса, который уменьшал искажение второй гармоники, которое могло быть создано ячейкой Поккельса во время мастеринга. MCA использовала систему мастеринга DRAW (прямое чтение после записи) или 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 оттиски 1976/77 года были освоены с помощью системы DRAW, как и «образовательные», не тематические заголовки при выпуске формата в декабре 1978 года.

Ячейки Поккельса используются в двухфотонная микроскопия.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Джозеф Валасек, "Свойства соли Рошель, связанные с пьезоэлектрическим эффектом", Физический обзор, 1922, Том XIX, № 478
  2. ^ Consoli, F .; De Angelis, R .; Duvillaret, L .; Андреоли, П. Л .; Cipriani, M .; Cristofari, G .; Di Giorgio, G .; Ingenito, F .; Верона, К. (15 июня 2016 г.). «Абсолютные измерения с временным разрешением с помощью электрооптического эффекта гигантских электромагнитных импульсов за счет взаимодействия лазерной плазмы в наносекундном режиме». Научные отчеты. 6 (1). Bibcode:2016НатСР ... 627889C. Дои:10.1038 / srep27889. ЧВК  4908660. PMID  27301704.
  3. ^ Робинсон, Т. С .; Consoli, F .; Giltrap, S .; Eardley, S.J .; Hicks, G.S .; Диттер, Э. Дж .; Ettlinger, O .; Стюарт, Н. Х .; Notley, M .; De Angelis, R .; Najmudin, Z .; Смит, Р. А. (20 апреля 2017 г.). «Малошумное оптическое обнаружение электромагнитных импульсов с временным разрешением при взаимодействии петаваттного лазера с веществом». Научные отчеты. 7 (1). Bibcode:2017НатСР ... 7..983Р. Дои:10.1038 / s41598-017-01063-1. ЧВК  5430545. PMID  28428549.

внешние ссылки