泡克尔斯盒

1. 简介：

普克尔斯盒（Pockels Cells）是利用普克尔斯效应（Pockels effect）的重要电光器件。在电光晶体上施加恒定或变化的电压（电场），可使晶体的双折射特性发生线性变化。施加恒定电压的普克尔斯盒实际上相当于一个电压控制的波片；而当施加变化的电压时，普克尔斯盒则能改变晶体的相位延迟。普克尔斯盒是多种光学器件（如激光器中的调Q开关和电光调制器）的基本组件，对于激光调Q等应用至关重要。

电光普克尔斯盒常用于需要快速切换光束偏振方向的场合。其典型应用包括激光谐振腔的调Q、光束在再生放大器中的耦合进出，以及与一对偏振片配合使用时的光强调制。

 

图1 Shalom EO 的普克尔斯盒

 

指南：

泡克耳斯效应

半波电压

纵向器件与横向器件

泡克耳斯盒的工作原理

 

 

 

 

 

 

 

2. 泡克耳斯效应：

这是一种电光效应。某些晶体在电场作用下会产生额外的双折射现象，其折射率的变化与所施加电场的大小成正比。德国物理学家 F. Pockels 于 1893 年首次研究了这种线性电光效应，该效应也因此得名。
然而，这种效应仅出现在缺乏反演对称性的晶体中（例如铌酸锂 [LiNbO3]、钽酸锂 [LiTaO3]、硼酸钡 [BBO] 和砷化镓 [GaAs] 等），或者存在于其他非中心对称介质（如经电场极化的聚合物和玻璃）中。

3. 半波电压
泡克耳斯盒（Pockels cell）的一个重要特性是半波电压 $U_\pi$（也称为 $U_{\lambda/2}$ 或 $V_{\lambda/2}$）。这是产生 $\pi$ 相位变化（相当于半个光波长）所需的电压。在幅度调制器中，施加的电压必须改变这一数值，才能使器件从透射率最低的工作点切换到透射率最高的工作点。

为了更直接的演示，下面是 β BBO 晶体半电压的方程：

 

其中 λ = 光波长
            d=电极间距
            L=光程
            r22 = 电光系数
         no = 普通折射率

典型的泡克耳斯盒（Pockels cell）半波电压高达数百甚至数千伏，因此需要高压放大器来实现较大的调制深度。对于具有强非线性特性的晶体材料（如 LiNbO3），其半波电压相对较低；而对于电极间距较小的集成光学调制器，问题则在于此类器件的功率承受能力相对较弱。

4. 纵向装置与横向装置

 

简而言之，纵向器件是设计为光传播和电场之间具有相同方向的器件。
横向器件的光传播方向垂直于电场方向。

 

纵向调制器的半波电压与晶体尺寸无关；而横向调制器的半波电压则与光程长度和晶体厚度（电极间距）之比成反比。

根据上述表述，我们可以推导出纵向和横向器件的特性：

纵向器件：

• 电极需要安装在透光面上；为了不影响光的传播，电极需制成特殊形状。
• 相位延迟量与晶体长度无关，因此无法通过增加晶体长度来降低半波电压。

横向装置：

• 它可以增加材料的长度并减小厚度，从而降低斑驳电压。
• 缺点是相移是由自然双折射引起的，并且对温度敏感。

5. 普克尔斯盒的工作原理

 

• 这里简要展示了电光调Q开关的工作原理。我们假设该晶体在未施加电场时无双折射效应
• 在增益介质与全反射镜之间放置起偏器和普克尔斯盒（Pockels cell）。起偏器的放置角度需确保在未施加电压时实现 100% 的透射（忽略少量寄生损耗）。
• 向普克尔斯盒施加适当的电压，使透射光的偏振面旋转 45°。
• 光线经反射镜反射后再次穿过普克尔斯盒，偏振面又旋转 45°。此时，光线无法通过起偏器，导致谐振腔内的 Q 值极低。
• 快速切断电压，谐振腔内的 Q 值骤升，从而产生巨脉冲激光输出。

随着电压的变化，透射率在 0% 和 100% 之间切换，从而产生脉冲。电光开关必须与泵浦源保持同步。电光开关具有高速特性，且切换时刻可被精确控制；不过，其切换性能取决于电光晶体的种类与质量。通常，电压是在零值与半波电压之间进行调节，尽管原则上也可以在 −Uπ/2 和 +Uπ/2 之间进行调节。

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