Ячейки Поккельса
1. Введение:
Клетки Поккеля — это важные электрооптические устройства, которые используют эффект Поккеля. При приложении постоянного или переменного напряжения (электрического поля) к электрооптическим кристаллам двулучепреломление кристалла изменяется линейно. Клетка Поккеля, к которой приложено постоянное напряжение, фактически эквивалентна волновой пластине с управлением по напряжению. При подаче переменного напряжения клетка Поккеля может изменять фазовую задержку кристалла. Клетка Поккеля является базовым компонентом различных оптических устройств, таких как Q-переключатель и электрооптический модулятор лазера. Они являются важными компонентами, например, для Q-переключающих лазеров.Электрооптические клетки Поккеля используются в приложениях, требующих быстрого переключения направления поляризации светового луча. Эти применения включают Q-переключение лазерных резонаторов, ввод и вывод света из регенеративных усилителей, а также, при использовании вместе с парой поляризаторов, модуляцию интенсивности света.
Рис.1 Клетки Поккеля Shalom EO
Руководство:
- Эффект Поккеля
- Полуволновое напряжение
- Продольные и поперечные устройства
- Принцип работы клеток Поккеля
2. Эффект Поккеля:
Электрооптический эффект. Некоторые кристаллы под действием электрического поля создают дополнительное двулучепреломление. Изменение показателей преломления линейно пропорционально величине приложенного электрического поля. В 1893 году немецкий физик Ф. Поккель впервые изучил этот линейный электрооптический эффект, что и дало ему название.
Однако этот эффект возникает только в кристаллах, не обладающих инверсионной симметрией, таких как ниобат лития (LiNbO3), танталат лития (LiTaO3), борат бария (BBO), арсенид галлия (GaAs) и других. Или существует в других нецентросимметричных средах, таких как электрически поляризованные полимеры и стекло.
3. Полуволновое напряжение
Важной характеристикой клетки Поккеля является полуволновое напряжение Uπ (также называемое Uλ/2 или Vλ/2). Это напряжение, необходимое для индукции изменения фазы на π, что эквивалентно половине оптической длины волны. В амплитудном модуляторе приложенное напряжение должно изменяться на это значение, чтобы перейти от точки минимальной передачи к максимальной.
Для более наглядного примера, вот формула для полуволнового напряжения в бета-BBO кристаллах:
Где λ — оптическая длина волны
d — расстояние между электродами
L — длина оптического пути
r22 — электрооптический коэффициент
no — обычный показатель преломления
Типичные клетки Поккеля имеют полуволновое напряжение в сотни или даже тысячи вольт, поэтому требуется высоковольтный усилитель для обеспечения большой глубины модуляции. Относительно низкие полуволновые напряжения возможны для кристаллов с высокой нелинейностью (например, LiNbO3), а также для интегрированных оптических модуляторов с малым расстоянием между электродами. Проблема таких устройств — относительно слабая способность к обработке мощности.
4. Продольные и поперечные устройства
Кратко: продольные устройства имеют одинаковое направление распространения света и электрического поля.
Поперечные устройства имеют направление распространения света, перпендикулярное направлению электрического поля.
|
|
Продольная ЭО модуляция |
Поперечная ЭО модуляция |
Полуволновое напряжение продольных модуляторов не зависит от размеров кристалла, тогда как полуволновое напряжение поперечных модуляторов обратно пропорционально отношению длины оптического пути к толщине кристалла (расстоянию между электродами).
Из вышеуказанного можно вывести особенности продольных и поперечных устройств:
Продольное устройство:
- Электрод должен быть установлен на светопрозрачной поверхности. Чтобы не влиять на распространение света, электрод должен иметь специальную форму.
- Величина фазовой задержки не зависит от длины кристалла, поэтому полуволновое напряжение нельзя уменьшить увеличением длины кристалла.
Поперечное устройство:
- Можно увеличить длину материала и уменьшить толщину для снижения модуляционного напряжения.
- Недостаток — фазовый сдвиг вызван естественным двулучепреломлением и чувствителен к температуре.
5. Принцип работы клеток Поккеля
Краткая модель работы электрооптического Q-переключателя. Предполагается, что без приложенного электрического поля кристалл не обладает двулучепреломлением.
- Разместите поляризатор и клетку Поккеля между активной средой и зеркалом полного отражения. Поляризатор ориентирован так, чтобы обеспечить 100% пропускание (без учёта паразитных потерь) без приложенного напряжения.
- Приложите соответствующее волновое напряжение к клетке Поккеля, которое повернёт плоскость поляризации проходящего света на 45°.
- Зеркало отражает свет, и он снова проходит через клетку Поккеля, плоскость поляризации поворачивается ещё на 45°. В этот момент свет не проходит через поляризатор, и качество резонатора Q очень низкое.
- Быстро отключите напряжение, качество резонатора Q резко возрастает, что приводит к генерации мощного лазерного импульса.
Таким образом, при изменении напряжения передача переключается от 0% до 100%, генерируются импульсы. Электрооптический переключатель должен быть синхронизирован с накачкой. Он обладает высокой скоростью и точностью управления временем переключения. Однако характеристики переключения зависят от качества и типа электрооптического кристалла. Обычно напряжение изменяется между нулём и полуволновым напряжением, хотя теоретически возможно изменять его между −Uπ / 2 и +Uπ / 2.
Tags: Ячейки Поккельса