Efekt Pockelsa - Pockels effect

Schemat komórki Pockelsa modulującej polaryzację światła. W tym przypadku komórka Pockelsa działa jak ćwierćfalówka, w której światło spolaryzowane liniowo jest przekształcane w światło spolaryzowane kołowo. Dzięki dodaniu okna Brewstera (po lewej) tę zmianę polaryzacji można przekształcić w zmianę natężenia wiązki, poprzez transmisję na składowej wektorowej o polaryzacji p.

Efekt Pockelsa (według Friedricha Carla Alwina Pockelsa, który badał ten efekt w 1893 r.) Lub efekt elektrooptyczny Pockelsa, zmienia lub wytwarza dwójłomność w ośrodku optycznym indukowanym przez pole elektryczne . W efekcie Pockelsa, znanym również jako liniowy efekt elektrooptyczny, dwójłomność jest proporcjonalna do pola elektrycznego. W efekcie Kerra zmiana współczynnika załamania światła (dwójłomność) jest proporcjonalna do kwadratu pola. Efekt Pockelsa występuje tylko w kryształach, które nie mają symetrii inwersji , takich jak niobian litu , oraz w innych mediach niecentrosymetrycznych, takich jak polimery polaryzowane polem elektrycznym lub szkła.

Komórki Pockelsa

Ogniwa Pockelsa to sterowane napięciem płytki falowe . Efekt Pockelsa jest podstawą działania komórek Pockelsa . Komórki Pockelsa mogą być używane do obracania polaryzacji przechodzącej wiązki. Zobacz aplikacje poniżej.

Poprzeczne ogniwo Pockelsa składa się z dwóch kryształów o przeciwnej orientacji, które razem tworzą płytkę falową rzędu zerowego po wyłączeniu napięcia. Często nie jest to idealne i zależy od temperatury. Ale mechaniczne ustawienie osi kryształu nie jest tak krytyczne i często jest wykonywane ręcznie bez śrub; podczas gdy niewspółosiowość prowadzi do pewnej energii w niewłaściwym promieniu (albo e lub o  - na przykład poziomym lub pionowym), w przeciwieństwie do przypadku podłużnego, strata nie jest wzmacniana przez długość kryształu.

Pole elektryczne można przykładać do ośrodka krystalicznego podłużnie lub poprzecznie do wiązki światła. Podłużne komórki Pockelsa wymagają przezroczystych lub pierścieniowych elektrod. Wymagania dotyczące napięcia poprzecznego można zmniejszyć, wydłużając kryształ.

Zrównanie osi kryształu z osią promienia jest krytyczne. Niewspółosiowość prowadzi do dwójłomności i dużego przesunięcia fazowego w całym długim krysztale. Prowadzi to do rotacji polaryzacji, jeśli ustawienie nie jest dokładnie równoległe lub prostopadłe do polaryzacji.

Dynamika w komórce

Ze względu na wysoką względną stałą dielektryczną ε r ≈ 36 wewnątrz kryształu, zmiany pola elektrycznego rozchodzą się z prędkością zaledwie c / 6. Szybkie komórki nie światłowodowe są zatem osadzone w dopasowanej linii transmisyjnej. Umieszczenie go na końcu linii transmisyjnej prowadzi do odbić i podwoić czas przełączania. Sygnał ze sterownika jest podzielony na równoległe linie, które prowadzą do obu końców kryształu. Kiedy spotykają się w krysztale, ich napięcia sumują się. Ogniwa Pockels do światłowodów mogą wykorzystywać konstrukcję fali bieżącej, aby zmniejszyć zapotrzebowanie na prąd i zwiększyć prędkość.

Kryształy nadające się do użytku wykazują również w pewnym stopniu efekt piezoelektryczny ( RTP ma najniższy, BBO i niobian litu są wysokie). Po zmianie napięcia fale dźwiękowe zaczynają rozprzestrzeniać się od boków kryształu do środka. Jest to ważne nie dla zbieraczy impulsów , ale dla okien wagonów . Przestrzeń ochronna między światłem a powierzchniami kryształów musi być większa, aby zapewnić dłuższy czas utrzymywania. Za falą dźwiękową kryształ pozostaje zdeformowany w stanie równowagi dla wysokiego pola elektrycznego. Zwiększa to polaryzację. Ze względu na wzrost spolaryzowanej objętości pole elektryczne w krysztale przed falą wzrasta liniowo lub sterownik musi zapewnić stały upływ prądu.

Elektronika sterownika

Sterownik musi wytrzymać zwrócone do niego podwojone napięcie. Ogniwa Pockela zachowują się jak kondensator . Przy przełączaniu ich na wysokie napięcie potrzebne jest wysokie ładowanie; w konsekwencji przełączanie 3 ns wymaga około 40 A dla przysłony 5 mm. Krótsze kable zmniejszają ilość ładunku marnowanego podczas transportu prądu do ogniwa.

Sterownik może wykorzystywać wiele tranzystorów połączonych równolegle i szeregowo. Tranzystory pływają i wymagają izolacji DC dla swoich bramek. Aby to zrobić, sygnał bramki jest podłączony przez światłowód lub bramki są napędzane przez duży transformator . W takim przypadku konieczna jest ostrożna kompensacja sprzężenia zwrotnego, aby zapobiec oscylacjom.

W sterowniku można zastosować kaskadę tranzystorów i triodę. W klasycznym, obiegu handlowego ostatni tranzystor jest IRF830 MOSFET i triody jest Eimac Y690 triody . Zestaw z pojedynczą triodą ma najmniejszą pojemność; uzasadnia to nawet wyłączenie ogniwa przez przyłożenie podwójnego napięcia. Rezystor zapewnia prąd upływowy potrzebny kryształowi i później do ponownego naładowania kondensatora magazynującego. Y690 przełącza do 10 kV, a katoda dostarcza 40 A, jeśli sieć jest na +400 V. W tym przypadku prąd sieci wynosi 8 A, a impedancja wejściowa wynosi 50 omów, co odpowiada standardowym kablom koncentrycznym , a MOSFET może w ten sposób być umieszczone zdalnie. Część z tych 50 omów jest wydawana na dodatkowy rezystor, który powoduje obciążenie -100 V. IRF może przełączać 500 woltów. Może dostarczać impulsy 18 A. Jego przewody pełnią rolę indukcyjności, zastosowano kondensator magazynujący, podłączony jest kabel koncentryczny 50 omów, MOSFET ma rezystancję wewnętrzną, a na końcu jest to krytycznie tłumiony obwód RLC , który jest odpalany impulsem do bramki MOSFET.

Bramka potrzebuje impulsów 5 V (zakres: ± 20 V) przy zasilaniu z 22 nC. Tak więc wzmocnienie prądu tego tranzystora jest równe jednemu dla przełączania 3 ns, ale nadal ma wzmocnienie napięcia. Zatem teoretycznie mógłby być również używany w konfiguracji wspólnej bramki, a nie w konfiguracji wspólnego źródła . Tranzystory, które przełączają 40 V są zwykle szybsze, więc w poprzednim etapie możliwe jest wzmocnienie prądu.

Zastosowania komórek Pockelsa

Ogniwa Pockelsa są wykorzystywane w różnych zastosowaniach naukowych i technicznych. Ogniwo Pockelsa w połączeniu z polaryzatorem może służyć do przełączania między brakiem rotacji optycznej a obrotem 90 °, tworząc szybką migawkę zdolną do „otwierania” i „zamykania” w ciągu nanosekund . Tej samej techniki można użyć do umieszczenia informacji na wiązce poprzez modulację obrotu w zakresie od 0 ° do 90 °; natężenie wychodzącej wiązki , patrząc przez polaryzator, zawiera sygnał o modulowanej amplitudzie . Ten modulowany sygnał można wykorzystać do pomiarów pola elektrycznego w czasie, gdy kryształ jest wystawiony na działanie nieznanego pola elektrycznego.

Pockela komórki są stosowane do zapobiegania zwrotnych o laserowej wnęki za pomocą pryzmatu polaryzacyjnego . Zapobiega to wzmocnieniu optycznemu poprzez skierowanie światła o określonej polaryzacji poza wnękę. Z tego powodu medium wzmacniające jest pompowane do stanu silnie wzbudzonego. Kiedy pożywka zostanie nasycona energią, komórka Pockelsa zostaje „otwarta” i światło z wnętrza wnęki może wyjść. Tworzy to bardzo szybki impuls o wysokiej intensywności. P przełączanie , zaćwierkała wzmocnienia impulsowego , a wnęka dumping Ta technika.

Komórki Pockelsa można wykorzystać do dystrybucji klucza kwantowego przez polaryzację fotonów .

Komórki Pockelsa w połączeniu z innymi elementami EO można łączyć, tworząc sondy elektrooptyczne.

Ogniwo Pockelsa zostało wykorzystane przez inżynierów MCA Disco-Vision ( DiscoVision ) w optycznym systemie masteringu płyt wideo. Światło z lasera argonowo-jonowego przepuszczono przez komórkę Pockelsa, aby wytworzyć modulacje impulsowe odpowiadające oryginalnym sygnałom wideo i audio FM, które mają być nagrane na głównym dysku wideo. MCA wykorzystywał komórkę Pockelsa do masteringu płyt wideo aż do sprzedaży Pioneer Electronics. Aby podnieść jakość nagrań, MCA opatentowało stabilizator komórki Pockelsa, który redukował zniekształcenia drugiej harmonicznej, które mogą być wytwarzane przez komórkę Pockelsa podczas masteringu. Firma MCA wykorzystywała system masteringu DRAW (Direct Read After Write) lub system fotorezystu. Początkowo preferowano system DRAW, ponieważ nie wymagał on warunków czystego pomieszczenia podczas nagrywania płyty i umożliwiał natychmiastową kontrolę jakości podczas masteringu. Oryginalne jednostronne tłoczenia testowe z lat 1976/77 zostały opanowane w systemie DRAW, podobnie jak „edukacyjne”, niefunkcjonalne tytuły w momencie wydania formatu w grudniu 1978 roku.

Komórki Pockelsa są używane w mikroskopii dwufotonowej .

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne