普克尔盒介绍
时间：2024-04-03 阅读：369
普克尔盒（Pockels cell）是基于泡克尔斯效应设计的偏振光调制器件。泡克尔斯效应（英语：Pockels effect）是指光介质在恒定或交变电场下产生光的双折射效应，这是一种线性电--光效应，其折射率的改变和所加电场的大小成正比。普克尔斯盒包含一块电光晶体（上面放置电极），光在晶体中传播。晶体中的相位延迟可以通过施加可变电压进行调制。普克尔盒是激光腔内调Q、脉冲拾取、再生放大系统中的关键部件，也是激光加工或者检测设备中对激光进行强度、相位和频率调制的调整器件。关于所施加电场的方向，普克尔盒具有两种不同的几何形状： 纵向装置具有在光束方向上的电场。光束可以穿过电极中的孔，或者穿过透明电极。由于所需的驱动电压基本上与孔径无关，因此可以容易地实现大孔径。电极可以是金属环（图1，左），也可以是端面（右）上带有金属触点的透明层。 横向装置具有垂直于光束的电场。该电场是通过晶体侧面的电极施加的。对于小孔径，它们可以具有较低的开关电压。 普克尔盒常用的非线性晶体材料有磷酸二氘钾（KD*P=DKDP）、磷酸钛钾（KTP）、β-硼酸钡（BBO）（后者用于更高的平均功率和/或更高的开关频率）、铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（LiTaO3）和磷酸二氢铵（NH4H2PO4，ADP）。对于中红外应用，需要碲化镉（CdTe）等特殊材料。请注意，材料的选择可能受到要考虑的广泛方面的影响。例如，所需的特性可以是：◆低残余吸收、高损伤阈值和用于在高强度下操作的低光学非线性通常，需要根据特定的应用程序仔细考虑不同方面之间的权衡。 普克尔盒一个重要参数就是半波电压，这是感应相变所需的电压。相当于半个光学波长。在幅度调制器中，施加的电压必须改变该值，以便从具有最小传输的工作点变为具有传输的操作点。 具有横向电场的普克尔盒的半波电压取决于晶体材料、电极间隔和施加电场的区域的长度。例如，可以通过使用较长的晶体来减少它。对于较大的开口，电极间隔需要较大，因此电压也需要较大。 对于具有纵向电场的普克尔盒，晶体长度无关紧要，因为例如较短的长度也会增加给定电压的电场强度。在不增加半波电压的情况下，较大的孔径是可能的。 典型的普克尔盒具有数百甚至数千伏的半波电压，因此对于大的调制深度需要高电压放大器。对于诸如LiNbO3的高度非线性晶体材料和具有小电极间隔的集成光学调制器来说，相对小的半波电压是可能的，但是这样的器件具有有限的功率处理能力。 例如，考虑一个基于普克尔盒单元的简单强度调制器，其中输入光束的线性偏振与非线性晶体的光轴成45°角。我们假设，在没有外加电场的情况下，晶体没有双折射，并且它具有给定的半波电压。在晶体后面，我们有一个偏振器，使得我们在没有施加电压的情况下获得99%的传输（忽略一些寄生损耗）。在这种情况下，我们可以认为传输场是两个相同强度的同相场分量的叠加。在施加电场的情况下，这些场分量获得的相位差为
，总传输振幅与以下参数成正比：如果偏振器旋转，使得我们在零电压下获得零传输，则公式包含sin而不是cos。计算表明，为了在零和99%之间切换强度调制器的传输，只需要将施加的电压修改半波电压。通常，人们会在零和半波电压之间改变电压，尽管原则上也可以在如下参数间变化： 为了在普克尔盒中保持一定的电压水平，理论上根本不需要电流，因为晶体材料是电介质，即电绝缘体。然而，普克尔盒可以具有显著的电容，这意味着当改变施加的电压时需要提供或去除一些电荷。对于非常快速和大的电压变化，可能需要大量的电流。 还可能需要考虑连接线的电感，其不会改变所需的电流，但会影响电压降并可能导致谐振现象。 普克尔盒可能的调制带宽可能非常高—很多兆赫兹，甚至可能是几千兆赫兹。它基本上仅受电光晶体中电场强度可以被修改的速度的限制。因此，它基本上受到所使用的普克尔盒驱动器电子器件的限制，并且可能受到驱动器和电池之间的电缆连接的限制。然而，具有高电容的普克尔盒单元使得驱动器更难实现高带宽。因此，使用具有低介电敏感度的晶体材料是有益的。此外，所选择的电极几何形状可以发挥作用，并且这也可能受到例如关于开口的要求的影响。 对于一些应用，需要能够处理具有脉冲能量的光脉冲的普克尔盒。对于这种情况，需要非常大的孔径，并且具有环形电极的纵向电极设计是不可行的。传统的透明电极也是有问题的，因为它们限制了可应用的脉冲通量。因此，已经提出了一种由低压电离气体形成透明电极的概念[4]。这里，电离气体是在辉光放电中产生的，该辉光放电是用横向电极获得的。 在普克尔盒的实际应用中，可能需要考虑一些额外的方面，包括额外的物理效应。 用于高功率激光的大口径普克尔盒，特别是对于在具有高脉冲能量的Q开关激光器中的应用，为了避免激光诱导的损伤，人们被迫使用具有相对大的光束半径的普克尔盒。不幸的是，所需的大孔径的非线性晶体价格昂贵。另外有些晶体材料，可能无法获得足够大的尺寸，因为它们很难制造出足够高质量的大尺寸晶体。 另一个结果是电容将更大（由于增加的电极面积），这意味着对所使用的普克尔盒驱动器的提出额外要求。 优化电极设计（可能具有额外的辅助电极）以获得所产生电场的高均匀性也很重要，因为否则可能获得空间变化的调制。在高光功率水平下，晶体材料的一些残余吸收可能会引起热效应。因此，低吸收材料是高功率运行的材料。即使所用晶体的端面含有高质量的防反射涂层，如果光束方向与这些端面垂直，标准具效应也会影响光学性能。获得的相变存在一定的温度依赖性。因此，例如，当温度变化时，被调节以产生的高对比度幅度调制的普克尔盒可能需要重新调节所施加的电压。存在热补偿的双晶体设计，其中该问题可以在很大程度上避免。普克尔盒中使用的晶体是非线性晶体材料，表现出显著的光学非线性。例如，对于具有显著峰值功率的光脉冲，可以获得自相位调制和非线性自聚焦。此外，晶体的色散可能是有害的，特别是对于使用超短脉冲操作的器件，例如再生放大器。 非线性晶体通常表现出显著的压电和弹光效应，这可能对高调制频率下的性能产生显著影响。常见的现象是观察到“振铃”效应，这会显著降低性能，例如Q开关激光器或光调制器的性能；这通常意味着对可用调制带宽的限制。在某种程度上，这种问题可以通过复杂的驱动器电子设备来减轻。 美国InPut Optica Technology （IPO）公司基于BBO晶体的BPR系列普克尔盒是专门设计的，为了满足高功率损伤阈值、低压电效应、低功耗的要求，以及低插入损耗等场景的应用。IPO开发的高速普克尔盒驱动器与 BPR系列普克尔盒匹配使用针对高功率和高重频激光应用提供的工业可靠性，波长从190nm到超过2.2μm。 BPR系列普克尔盒包括单晶体和双晶体设计，满足电光Q开关，脉冲选择器，腔倒空等多种高功率激光应用。同时提供传导冷却和水冷两个子系列，满足不同功率要求。 IPO公司标准的普克尔盒和驱动器产品主要技术参数如下，如果标准产品无法满足用户要求，IPO可以根据用户要求进行产品定制。 北京海科思锐光电仪器有限公司作为一家专业的激光和光电产品代理商，依托于核心团队10几年在激光和光电领域积累起来的丰富经验以及对行业的深刻理解，发展迅速，到目前已经形成了激光器及应用系统、激光测试设备、激光与光学元器件、精密光机械等四大产品线，海科思锐与美国InPut Optica Technology,Inc.（IPO）公司建立长期密切的合作关系，在中国销售IPO公司研制生产的高功率激光用法拉第隔离器和普克尔盒产品。
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