波克尔晶体

什么是Pockels电池？

Pockels电池是一种光学设备，通过施加电场来改变通过它的光的偏振状态。Pockels电池由晶体构成，通常是钾二氘磷酸盐（KD*P）或β-钡硼酸盐（BBO），以其电光特性而著称。当在Pockels电池的电极之间施加电压时，晶体内部产生的电场导致其折射率发生变化。这种变化与施加的电场强度成正比。通过调整施加于晶体的电场强度和方向，Pockels电池有效地控制通过它的光的偏振状态。

晶体在光学轴方向上是各向同性的，因此，当线偏振光沿光学轴方向传播时，偏振状态保持不变。然而，施加外部电场会在晶体中引发双折射，导致传播光波的相位发生变化。因此，光束的相位可以通过电信号进行精确和快速的调制。

1893年，德国物理学家弗里德里希·卡尔·阿尔温·波克尔，通过对Pockels效应的研究，发明了这种电池。此电池在现代光子应用中至关重要，包括超快激光和精密光调制器。当与偏振器结合使用时，这些电池能够作为光学开关或激光Q开关工作。

Pockels电池可以根据电场的方向分为两大类：纵向设备和横向设备。

纵向Pockels电池是电场与光束方向一致的设备，允许高光圈，通常用于Q开关和光快门。

纵向Pockels电池

横向Pockels电池是电场与光束方向垂直的设备，适合较小的光圈，并且需要较低的开关电压。

横向Pockels电池

在横向设备中，半波电压由电极之间的距离决定，较大的光圈需要更高的电压。关键参数是半波电压（Uπ），表示引起π相位偏移所需的电压，或光学长度的一半。当用作幅度调制器时，半波电压决定系统中从最小到最大传输的过渡。纵向和横向Pockels电池通常在几百到几千伏的半波电压下工作。

然而，某些高度非线性晶体材料如LiNbO₃和电极间距较小的集成光调制器允许相对较小的半波电压。然而，这些设备在功率处理能力上存在限制。

Pockels电池通常使用非线性晶体材料，如钾二氘磷酸盐（KD*P）、钛酸钾磷酸盐（KTP）、β-钡硼酸盐（BBO）以获得更高的平均功率和/或更高的开关频率，锂铌酸盐（LiNbO₃）、锂钽酸盐（LiTaO₃）和磷酸铵（NH₄H₂PO₄, ADP）。对于中红外应用，特殊材料如碲化镉（CdTe）是必需的。

 影响材料选择的因素包括：

•  高电光系数以最小化所需的驱动电压。
• 在必要的光谱范围内具有透明性。
• 最小的残余吸收，高损伤阈值和低光学非线性，以支持在高强度水平下的操作。
• 能够以合理的成本获得足够大且高质量的晶体。
• 低介电易感性以最小化电容。
• 对振铃效应的有限敏感性，电池在施加电压信号后电响应中的不必要振荡或波动。

Pockels电池的应用

Pockels电池在多个领域中具有广泛应用，包括：

• Q开关：Pockels电池是Q开关激光器中的关键组件。通过快速调制激光腔内光的偏振，这些电池能够生成高能量、短时长的脉冲。这项技术广泛应用于激光雕刻、测距和材料加工等领域。
• 再生放大：Pockels电池在再生放大器中用于控制超短脉冲的放大。它们帮助精确控制脉冲放大的时机，确保脉冲仅在需要时被放大。这在用于科学研究和工业应用的高功率激光系统中至关重要。
• 脉冲选择和放大器隔离：Pockels电池用于从连续激光束中选择单个脉冲。此外，它们在高能激光系统的不同放大器阶段之间提供隔离。这确保脉冲保持良好的定义和分离，使其在激光光谱学和粒子加速等领域的应用成为可能。
• 脉冲切割和去除前脉冲/自发放大辐射（ASE）：Pockels电池用于从连续波激光中切割脉冲，创建精确时序的脉冲序列。它们在去除不必要的前脉冲和自发放大辐射方面也发挥作用，从而提高输出脉冲的整体质量。这在激光诱导击穿光谱学和医学成像等应用中尤为重要。