普克爾盒（Pockels cell）是基于泡克爾斯效應(yīng)設(shè)計(jì)的偏振光調(diào)制器件。泡克爾斯效應(yīng)（英語(yǔ)：Pockels effect）是指光介質(zhì)在恒定或交變電場(chǎng)下產(chǎn)生光的雙折射效應(yīng)，這是一種線性電--光效應(yīng)，其折射率的改變和所加電場(chǎng)的大小成正比。普克爾斯盒包含一塊電光晶體（上面放置電極），光在晶體中傳播。晶體中的相位延遲可以通過(guò)施加可變電壓進(jìn)行調(diào)制。普克爾盒是激光腔內(nèi)調(diào)Q、脈沖拾取、再生放大系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，也是激光加工或者檢測(cè)設(shè)備中對(duì)激光進(jìn)行強(qiáng)度、相位和頻率調(diào)制的調(diào)整器件。關(guān)于所施加電場(chǎng)的方向，普克爾盒具有兩種不同的幾何形狀： 縱向裝置具有在光束方向上的電場(chǎng)。光束可以穿過(guò)電極中的孔，或者穿過(guò)透明電極。由于所需的驅(qū)動(dòng)電壓基本上與孔徑無(wú)關(guān)，因此可以容易地實(shí)現(xiàn)大孔徑。電極可以是金屬環(huán)（圖1，左），也可以是端面（右）上帶有金屬觸點(diǎn)的透明層。 電極是端面（左側(cè)）或外表面（右側(cè)）上的環(huán)。 橫向裝置具有垂直于光束的電場(chǎng)。該電場(chǎng)是通過(guò)晶體側(cè)面的電極施加的。對(duì)于小孔徑，它們可以具有較低的開(kāi)關(guān)電壓。 普克爾盒常用的非線性晶體材料有磷酸二氘鉀（KD*P=DKDP）、磷酸鈦鉀（KTP）、β-硼酸鋇（BBO）（后者用于更高的平均功率和/或更高的開(kāi)關(guān)頻率）、鈮酸鋰（LiNbO3）、鉭酸鋰（LiTaO3）和磷酸二氫銨（NH4H2PO4，ADP）。對(duì)于中紅外應(yīng)用，需要碲化鎘（CdTe）等特殊材料。請(qǐng)注意，材料的選擇可能受到要考慮的廣泛方面的影響。例如，所需的特性可以是：◆用于降低所需驅(qū)動(dòng)電壓的高電光系數(shù)◆低殘余吸收、高損傷閾值和用于在高強(qiáng)度下操作的低光學(xué)非線性◆以合理的價(jià)格提供足夠大的高質(zhì)量晶體通常，需要根據(jù)特定的應(yīng)用程序仔細(xì)考慮不同方面之間的權(quán)衡。 普克爾盒一個(gè)重要參數(shù)就是半波電壓，這是感應(yīng)相變所需的電壓。相當(dāng)于半個(gè)光學(xué)波長(zhǎng)。在幅度調(diào)制器中，施加的電壓必須改變?cè)撝?，以便從具有最小傳輸?shù)墓ぷ鼽c(diǎn)變?yōu)榫哂袀鬏數(shù)牟僮鼽c(diǎn)。 具有橫向電場(chǎng)的普克爾盒的半波電壓取決于晶體材料、電極間隔和施加電場(chǎng)的區(qū)域的長(zhǎng)度。例如，可以通過(guò)使用較長(zhǎng)的晶體來(lái)減少它。對(duì)于較大的開(kāi)口，電極間隔需要較大，因此電壓也需要較大。 對(duì)于具有縱向電場(chǎng)的普克爾盒，晶體長(zhǎng)度無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)槔巛^短的長(zhǎng)度也會(huì)增加給定電壓的電場(chǎng)強(qiáng)度。在不增加半波電壓的情況下，較大的孔徑是可能的。 典型的普克爾盒具有數(shù)百甚至數(shù)千伏的半波電壓，因此對(duì)于大的調(diào)制深度需要高電壓放大器。對(duì)于諸如LiNbO3的高度非線性晶體材料和具有小電極間隔的集成光學(xué)調(diào)制器來(lái)說(shuō)，相對(duì)小的半波電壓是可能的，但是這樣的器件具有有限的功率處理能力。使用普克爾盒進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的示例 例如，考慮一個(gè)基于普克爾盒單元的簡(jiǎn)單強(qiáng)度調(diào)制器，其中輸入光束的線性偏振與非線性晶體的光軸成45°角。我們假設(shè)，在沒(méi)有外加電場(chǎng)的情況下，晶體沒(méi)有雙折射，并且它具有給定的半波電壓。在晶體后面，我們有一個(gè)偏振器，使得我們?cè)跊](méi)有施加電壓的情況下獲得99%的傳輸（忽略一些寄生損耗）。在這種情況下，我們可以認(rèn)為傳輸場(chǎng)是兩個(gè)相同強(qiáng)度的同相場(chǎng)分量的疊加。在施加電場(chǎng)的情況下，這些場(chǎng)分量獲得的相位差為
，總傳輸振幅與以下參數(shù)成正比：并且我們對(duì)于輸出電場(chǎng)獲得以下結(jié)果：
如果偏振器旋轉(zhuǎn)，使得我們?cè)诹汶妷合芦@得零傳輸，則公式包含sin而不是cos。計(jì)算表明，為了在零和99%之間切換強(qiáng)度調(diào)制器的傳輸，只需要將施加的電壓修改半波電壓。通常，人們會(huì)在零和半波電壓之間改變電壓，盡管原則上也可以在如下參數(shù)間變化： 為了在普克爾盒中保持一定的電壓水平，理論上根本不需要電流，因?yàn)榫w材料是電介質(zhì)，即電絕緣體。然而，普克爾盒可以具有顯著的電容，這意味著當(dāng)改變施加的電壓時(shí)需要提供或去除一些電荷。對(duì)于非?？焖俸痛蟮碾妷鹤兓?，可能需要大量的電流。 還可能需要考慮連接線的電感，其不會(huì)改變所需的電流，但會(huì)影響電壓降并可能導(dǎo)致諧振現(xiàn)象。 普克爾盒可能的調(diào)制帶寬可能非常高—很多兆赫茲，甚至可能是幾千兆赫茲。它基本上僅受電光晶體中電場(chǎng)強(qiáng)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爾盒驅(qū)動(dòng)器電子器件的限制，并且可能受到驅(qū)動(dòng)器和電池之間的電纜連接的限制。然而，具有高電容的普克爾盒單元使得驅(qū)動(dòng)器更難實(shí)現(xiàn)高帶寬。因此，使用具有低介電敏感度的晶體材料是有益的。此外，所選擇的電極幾何形狀可以發(fā)揮作用，并且這也可能受到例如關(guān)于開(kāi)口的要求的影響。 對(duì)于一些應(yīng)用，需要能夠處理具有脈沖能量的光脈沖的普克爾盒。對(duì)于這種情況，需要非常大的孔徑，并且具有環(huán)形電極的縱向電極設(shè)計(jì)是不可行的。傳統(tǒng)的透明電極也是有問(wèn)題的，因?yàn)樗鼈兿拗屏丝蓱?yīng)用的脈沖通量。因此，已經(jīng)提出了一種由低壓電離氣體形成透明電極的概念[4]。這里，電離氣體是在輝光放電中產(chǎn)生的，該輝光放電是用橫向電極獲得的。 在普克爾盒的實(shí)際應(yīng)用中，可能需要考慮一些額外的方面，包括額外的物理效應(yīng)。 用于高功率激光的大口徑普克爾盒，特別是對(duì)于在具有高脈沖能量的Q開(kāi)關(guān)激光器中的應(yīng)用，為了避免激光誘導(dǎo)的損傷，人們被迫使用具有相對(duì)大的光束半徑的普克爾盒。不幸的是，所需的大孔徑的非線性晶體價(jià)格昂貴。另外有些晶體材料，可能無(wú)法獲得足夠大的尺寸，因?yàn)樗鼈兒茈y制造出足夠高質(zhì)量的大尺寸晶體。 另一個(gè)結(jié)果是電容將更大（由于增加的電極面積），這意味著對(duì)所使用的普克爾盒驅(qū)動(dòng)器的提出額外要求。 優(yōu)化電極設(shè)計(jì)（可能具有額外的輔助電極）以獲得所產(chǎn)生電場(chǎng)的高均勻性也很重要，因?yàn)榉駝t可能獲得空間變化的調(diào)制。在高光功率水平下，晶體材料的一些殘余吸收可能會(huì)引起熱效應(yīng)。因此，低吸收材料是高功率運(yùn)行的材料。即使所用晶體的端面含有高質(zhì)量的防反射涂層，如果光束方向與這些端面垂直，標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)也會(huì)影響光學(xué)性能。獲得的相變存在一定的溫度依賴性。因此，例如，當(dāng)溫度變化時(shí)，被調(diào)節(jié)以產(chǎn)生的高對(duì)比度幅度調(diào)制的普克爾盒可能需要重新調(diào)節(jié)所施加的電壓。存在熱補(bǔ)償?shù)碾p晶體設(shè)計(jì)，其中該問(wèn)題可以在很大程度上避免。普克爾盒中使用的晶體是非線性晶體材料，表現(xiàn)出顯著的光學(xué)非線性。例如，對(duì)于具有顯著峰值功率的光脈沖，可以獲得自相位調(diào)制和非線性自聚焦。此外，晶體的色散可能是有害的，特別是對(duì)于使用超短脈沖操作的器件，例如再生放大器。 非線性晶體通常表現(xiàn)出顯著的壓電和彈光效應(yīng)，這可能對(duì)高調(diào)制頻率下的性能產(chǎn)生顯著影響。常見(jiàn)的現(xiàn)象是觀察到“振鈴”效應(yīng)，這會(huì)顯著降低性能，例如Q開(kāi)關(guān)激光器或光調(diào)制器的性能；這通常意味著對(duì)可用調(diào)制帶寬的限制。在某種程度上，這種問(wèn)題可以通過(guò)復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備來(lái)減輕。 美國(guó)InPut Optica Technology （IPO）公司基于BBO晶體的BPR系列普克爾盒是專門設(shè)計(jì)的，為了滿足高功率損傷閾值、低壓電效應(yīng)、低功耗的要求，以及低插入損耗等場(chǎng)景的應(yīng)用。IPO開(kāi)發(fā)的高速普克爾盒驅(qū)動(dòng)器與 BPR系列普克爾盒匹配使用針對(duì)高功率和高重頻激光應(yīng)用提供的工業(yè)可靠性，波長(zhǎng)從190nm到超過(guò)2.2μm。 BPR系列普克爾盒包括單晶體和雙晶體設(shè)計(jì)，滿足電光Q開(kāi)關(guān)，脈沖選擇器，腔倒空等多種高功率激光應(yīng)用。同時(shí)提供傳導(dǎo)冷卻和水冷兩個(gè)子系列，滿足不同功率要求。 IPO公司標(biāo)準(zhǔn)的普克爾盒和驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)如下，如果標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)法滿足用戶要求，IPO可以根據(jù)用戶要求進(jìn)行產(chǎn)品定制。 北京?？扑间J光電儀器有限公司作為一家專業(yè)的激光和光電產(chǎn)品代理商，依托于核心團(tuán)隊(duì)10幾年在激光和光電領(lǐng)域積累起來(lái)的豐富經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)行業(yè)的深刻理解，發(fā)展迅速，到目前已經(jīng)形成了激光器及應(yīng)用系統(tǒng)、激光測(cè)試設(shè)備、激光與光學(xué)元器件、精密光機(jī)械等四大產(chǎn)品線，海科思銳與美國(guó)InPut Optica Technology,Inc.（IPO）公司建立長(zhǎng)期密切的合作關(guān)系，在中國(guó)銷售IPO公司研制生產(chǎn)的高功率激光用法拉第隔離器和普克爾盒產(chǎn)品。
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