Эффект Поккельса (после Фридриха Карла Алвина Поккельса, который изучал этот эффект в 1893 году), или электрооптический эффект Поккельса, изменяет или создает двулучепреломление в оптической среде, индуцированное электрическим полем . В эффекте Поккельса, также известном как линейный электрооптический эффект, двулучепреломление пропорционально электрическому полю. В эффекте Керра изменение показателя преломления (двулучепреломление) пропорционально квадрату поля. Эффект Поккельса возникает только в кристаллах, лишенных инверсионной симметрии , таких как ниобат лития , и в других нецентросимметричных средах, таких как полимеры с поляризацией электрического поля или стекла.
Ячейки Поккельса [ править ]
Ячейки Поккельса представляют собой волновые пластины, управляемые напряжением . Эффект Поккельса лежит в основе работы ячеек Поккельса . Ячейки Поккельса могут использоваться для изменения поляризации проходящего луча. См. 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, либо о - например, горизонтальном или вертикальном), 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 двойному лучепреломлению и большому сдвигу фазы в длинном кристалле. Это приводит к вращению поляризации, если выравнивание не совсем параллельно или перпендикулярно поляризации.
Динамика внутри ячейки [ править ]
Из-за высокой относительной диэлектрической проницаемости ε r ≈ 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. Ячейки Поккельса для волоконной оптики могут использовать конструкцию бегущей волны для снижения требований по току и увеличения скорости.
Используемые кристаллы также в некоторой степени проявляют пьезоэлектрический эффект [1] ( RTP - самый низкий, BBO и ниобат лития - высокий). После изменения напряжения звуковые волны начинают распространяться от 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 для увеличения времени выдержки. За звуковой волной кристалл остается деформированным в положении равновесия для сильного электрического поля. Это увеличивает поляризацию. Из-за увеличения поляризованного объема электрическое поле в кристалле перед волной увеличивается линейно, либо драйвер должен обеспечивать постоянную утечку тока.
Электроника драйвера [ править ]
Драйвер должен выдерживать возвращаемое на него удвоенное напряжение. Ячейки 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 элемент.
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 , либо затворы приводятся в действие большим трансформатором . В этом случае необходима тщательная компенсация обратной связи для предотвращения колебаний.
В драйвере может использоваться каскад транзисторов и триод. В классической, коммерческой цепи последнего транзистора является IRF830 МОП - транзистора и триод является Eimac Y690 триода . Установка с одним триодом имеет наименьшую мощность; это даже оправдывает отключение ячейки подачей двойного напряжения. Резистор обеспечивает ток утечки, необходимый для кристалла, а затем для перезарядки накопительного конденсатора. Y690 переключает до 10 кВ, и катод выдает 40 А, если сеть находится на +400 В. В этом случае ток сети составляет 8 А, а входное сопротивление, таким образом, составляет 50 Ом, что соответствует стандартным коаксиальным кабелям.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 схема RLC с критическим демпфированием , которая запускается импульсом на затвор МОП-транзистор.
Затвор требует импульсов 5 В (диапазон: ± 20 В) при 22 нКл. Таким образом, коэффициент усиления по току этого транзистора равен 1 при переключении 3 нс, но он все еще имеет усиление по напряжению. Таким образом, теоретически он может также использоваться в общей конфигурации затвора, а не в общей конфигурации источника . Транзисторы, которые переключают 40 В, обычно быстрее, поэтому на предыдущем этапе возможно усиление тока.
Применение ячеек Поккельса [ править ]
Ячейки Поккельса используются во множестве научных и технических приложений. Ячейку Поккельса в сочетании с поляризатором можно использовать для переключения между отсутствием оптического вращения и поворотом на 90 °, создавая быстрый затвор, способный «открываться» и «закрываться» за наносекунды . Тот же метод можно использовать для передачи информации на луч, модулируя поворот от 0 ° до 90 °; интенсивность выходящего луча , если смотреть через поляризатор, содержит сигнал с амплитудной модуляцией . Этот модулированный сигнал можно использовать для измерений электрического поля с временным разрешением, когда кристалл подвергается воздействию неизвестного электрического поля. [2] [3]
Поккельс клетка используется для предотвращения обратной связи в виде лазерного резонатора с помощью поляризующей призмы . Это предотвращает оптическое усиление за счет направления света определенной поляризации из резонатора. Из-за этого усиливающая среда переходит 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. Этот метод используется для модуляции добротности , усиления чирпированных импульсов и сброса резонатора .
Ячейки Поккельса можно использовать для квантового распределения ключей путем поляризации фотонов .
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.
Клетки Поккельса используются в двухфотонной микроскопии .
См. Также [ править ]
- Электрооптический модулятор
- Акустооптический модулятор
- Эффект Керра
Ссылки [ править ]
- ^ Джозеф Валасек, "Свойства соли Рошель, связанные с пьезоэлектрическим эффектом", Physical Review , 1922, Том XIX, № 478
- ^ Consoli, F .; De Angelis, R .; Duvillaret, L .; Андреоли, Польша; 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 : 2016NatSR ... 627889C . DOI : 10.1038 / srep27889 . PMC 4908660 . PMID 27301704 .
- ^ Робинсон, TS; Consoli, F .; Giltrap, S .; Eardley, SJ; Хикс, GS; Диттер, EJ; Ettlinger, O .; Стюарт, штат Нью-Хэмпшир; Notley, M .; De Angelis, R .; Najmudin, Z .; Смит, РА (20 апреля 2017 г.). "Малошумное оптическое обнаружение электромагнитных импульсов с временным разрешением от петаваттных взаимодействий лазера с веществом" . Научные отчеты . 7 (1). Bibcode : 2017NatSR ... 7..983R . DOI : 10.1038 / s41598-017-01063-1 . PMC 5430545 . PMID 28428549 .
Внешние ссылки [ править ]
- Статья о сверхбыстрых импульсных драйверах ячейки Поккельса
- Праймер для клеток Поккельса - статья об основах клеток Поккельса
- Обзор электрооптических устройств - статья о ячейках Поккельса
