Efecto Pockels

En óptica , el efecto Pockels , o efecto electroóptico Pockels , es una variación lineal dependiente de la dirección en el índice de refracción de un medio óptico que se produce en respuesta a la aplicación de un campo eléctrico . Recibe su nombre del físico alemán Friedrich Carl Alwin Pockels , quien estudió el efecto en 1893. ^{[1] [2]} La contraparte no lineal, el efecto Kerr , provoca cambios en el índice de refracción a una tasa proporcional al cuadrado del campo eléctrico aplicado. En los medios ópticos, el efecto Pockels provoca cambios en la birrefringencia que varían en proporción a la intensidad del campo eléctrico aplicado.

El efecto Pockels se produce en cristales que carecen de simetría de inversión , como el fosfato monopotásico ( KH ₂ PO ₄ , abreviado KDP), el fosfato de dideuterio y potasio ( KD ₂ PO ₄ , abreviado KD*P o DKDP), el niobato de litio ( LiNbO ₃ ), el borato de beta-bario (BBO), el titanato de bario (BTO) y en otros medios no centrosimétricos como los polímeros o vidrios polarizados por campos eléctricos. El efecto Pockels se ha dilucidado a través de un amplio estudio de las propiedades electroópticas en materiales como el KDP. ^[3]

El componente clave de una celda de Pockels es un monocristal no centrosimétrico con un eje óptico cuyo índice de refracción está controlado por un campo eléctrico externo. En otras palabras, el efecto Pockels es la base del funcionamiento de las celdas de Pockels. Al controlar el índice de refracción, se altera la retardancia óptica del cristal, por lo que cambia el estado de polarización del haz de luz incidente. Por lo tanto, las celdas de Pockels se utilizan como placas de onda controladas por voltaje , así como en otras aplicaciones fotónicas. Consulte las aplicaciones a continuación para conocer sus usos. Las celdas de Pockels se dividen en dos configuraciones según las propiedades electroópticas de los cristales: longitudinal y transversal.

Las celdas Pockels longitudinales funcionan con un campo eléctrico aplicado a lo largo del eje óptico del cristal o a lo largo de la propagación del haz incidente. Dichos cristales incluyen KDP, KD*P y ADP. Los electrodos están recubiertos como películas de óxido de metal transparente en las caras del cristal por donde se propaga el haz o anillos de metal (generalmente hechos de oro) recubiertos alrededor del cuerpo del cristal. Los terminales para la aplicación de voltaje están en contacto con los electrodos. La retardancia óptica Δφ para celdas Pockels longitudinales es proporcional al índice de refracción ordinario n _o , la constante electroóptica r ₆₃ (unidades de m/V) y el voltaje aplicado V e inversamente proporcional a la longitud de onda del haz incidente λ ₀ . Por ejemplo, el voltaje de media onda es aproximadamente 7,6 kV para un cristal KDP con un n _o = 1,51, r ₆₃ = 10,6X10-12 m/V en λ ₀ y Δφ = π. ^[4] La ventaja de utilizar celdas Pockels longitudinales es que los requisitos de voltaje para el retardo de cuarto de onda o media onda no dependen de la longitud o el diámetro del cristal.

Las celdas de Pockels transversales funcionan con un campo eléctrico aplicado perpendicularmente a la propagación del haz. Los cristales utilizados en celdas de Pockels transversales incluyen BBO, LiNbO ₃ , CdTe , ZnSe y CdSe . ^[5] Los lados largos del cristal están recubiertos con electrodos. La retardancia óptica Δφ para celdas de Pockels transversales es similar a la de las celdas de Pockels longitudinales, pero depende de las dimensiones del cristal. Los requisitos de voltaje de cuarto de onda o de media onda aumentan con el tamaño de la apertura del cristal, pero los requisitos se pueden reducir alargando el cristal.

Se pueden incorporar dos o más cristales en una celda de Pockels transversal. Una razón es reducir el requisito de voltaje al extender la longitud total de la celda de Pockels. Otra razón es el hecho de que KDP es biaxial y posee dos constantes electroópticas, r ₆₃ para la configuración longitudinal y r ₄₁ para la configuración transversal. Una celda de Pockels transversal que utiliza un KDP (o uno de sus isomorfos) consta de dos cristales en orientación opuesta, que juntos dan una placa de onda de orden cero cuando se apaga el voltaje. Esto a menudo no es perfecto y se desvía con la temperatura. Pero la alineación mecánica del eje del cristal no es tan crítica y a menudo se hace a mano sin tornillos; mientras que la desalineación conduce a algo de energía en el rayo equivocado (ya sea e u o  , por ejemplo, horizontal o vertical), en contraste con el caso longitudinal, la pérdida no se amplifica a través de la longitud del cristal.

La alineación del eje del cristal con el eje del rayo es fundamental, independientemente de la configuración. La desalineación produce birrefringencia y un gran desfase en todo el cristal. Esto provoca una rotación de la polarización si la alineación no es exactamente paralela o perpendicular a la polarización.

Debido a la alta constante dieléctrica relativa de ε _r ≈ 36 dentro del cristal, los cambios en el campo eléctrico se propagan a una velocidad de solo c /6. Por lo tanto, las celdas rápidas que no son de fibra óptica se integran en una línea de transmisión adaptada. Ponerlas al final de una línea de transmisión produce reflexiones y duplica el tiempo de conmutación. La señal del controlador se divide en líneas paralelas que conducen a ambos extremos del cristal. Cuando se encuentran en el cristal, sus voltajes se suman. Las celdas de Pockels para fibra óptica pueden emplear un diseño de onda viajera para reducir los requisitos de corriente y aumentar la velocidad.

Los cristales utilizables también exhiben el efecto piezoeléctrico hasta cierto grado ^[6] (RTP ( RbTiOPO ₄ ) tiene el más bajo, BBO y niobato de litio son los más altos). Después de un cambio de voltaje, las ondas sonoras comienzan a propagarse desde los lados del cristal hacia el medio. Esto es importante no para los captadores de pulsos, sino para las ventanas de vagón de carga . El espacio de protección entre la luz y las caras de los cristales debe ser más grande para tiempos de retención más largos. Detrás de la onda sonora, el cristal permanece deformado en la posición de equilibrio para el alto campo eléctrico. Esto aumenta la polarización. Debido al crecimiento del volumen polarizado, el campo eléctrico en el cristal frente a la onda aumenta linealmente, o el controlador tiene que proporcionar una fuga de corriente constante.

Una celda Pockels, por diseño, es un capacitor y, a menudo, requiere altos voltajes para cambiar el estado de la polarización del haz láser para que funcione de manera efectiva como una placa de onda conmutable. El voltaje requerido depende del tipo de celda Pockels, la longitud de onda de la luz y el tamaño del cristal; pero, por lo general, el rango de voltaje está en el orden de 1 a 10 kV. Los controladores de celdas Pockels proporcionan este alto voltaje en forma de pulsos muy rápidos, que generalmente tienen tiempos de subida de menos de 10 nanosegundos.

Básicamente, existen dos tipos de controladores: un controlador rápido o Q, que tiene un tiempo de subida rápido y luego decae lentamente. Una celda Pockels que utiliza un controlador Q a veces se denomina Q-switch. El otro tipo de controlador se denomina controlador regenerativo o R. Los controladores R tendrán un tiempo de subida rápido y un tiempo de caída rápido. El ancho del pulso de salida del controlador puede ser de nanosegundos a microsegundos, según la aplicación. El tipo de controlador y su tasa de repetición dependerán del láser y de la aplicación prevista.

Las celdas de Pockels se utilizan en una variedad de aplicaciones científicas y técnicas. Una celda de Pockels, combinada con un polarizador, se puede utilizar para cambiar entre el estado de polarización inicial y el retardo de fase de media onda, creando un obturador rápido capaz de "abrirse" y "cerrarse" en nanosegundos . La misma técnica se puede utilizar para imprimir información en el haz modulando la rotación entre 0° y 90°; la intensidad del haz saliente , cuando se ve a través del polarizador, contiene una señal modulada en amplitud . Esta señal modulada se puede utilizar para mediciones de campo eléctrico resueltas en el tiempo cuando un cristal se expone a un campo eléctrico desconocido. ^{[7] [8]}

Las celdas de Pockels se utilizan como un Q-switch para generar pulsos láser cortos y de alta intensidad. La celda de Pockels evita la amplificación óptica al introducir una pérdida dependiente de la polarización en la cavidad del láser. Esto permite que el medio de ganancia tenga una alta inversión de población . Cuando el medio de ganancia tiene la inversión de población deseada , la celda de Pockels se "abre" y se crea un pulso láser corto de alta energía. Los láseres Q-switched se utilizan en una variedad de aplicaciones, como la estética médica, la metrología, la fabricación y la holografía.

La selección de pulsos es otra aplicación que utiliza una celda Pockels. Un selector de pulsos generalmente se compone de un oscilador, un modulador electroóptico, amplificadores, un controlador de alto voltaje y un modulador de duplicación de frecuencia junto con una celda Pockels. ^[9] La celda Pockels puede captar un pulso de un haz inducido por láser mientras bloquea el resto mediante una conmutación electroóptica sincronizada.

Las células de Pockels también se utilizan en amplificadores regenerativos , amplificación de pulsos chirriantes y volcado de cavidad para permitir que la energía óptica entre y salga de láseres y amplificadores ópticos. ^[10]

Las células de Pockels se pueden utilizar para la distribución de claves cuánticas mediante la polarización de fotones .

Las células de Pockels junto con otros elementos EO se pueden combinar para formar sondas electroópticas.

Los ingenieros de MCA Disco-Vision ( DiscoVision ) utilizaron una celda Pockels en el sistema de masterización de videodisco óptico. La luz de un láser de iones de argón pasaba a través de la celda Pockels para crear modulaciones de pulsos correspondientes a las señales de audio y video FM originales que se grabarían en el videodisco maestro. MCA utilizó la celda Pockels en la masterización de videodisco hasta su venta a Pioneer Electronics. Para aumentar la calidad de las grabaciones, MCA patentó un estabilizador de celda Pockels que reducía la distorsión de segundo armónico que podía crear la celda Pockels durante la masterización. MCA utilizó un sistema de masterización DRAW (lectura directa después de escritura) o un sistema de fotorresistencia. El sistema DRAW fue el preferido originalmente, ya que no requería condiciones de sala limpia durante la grabación del disco y permitía una verificación instantánea de la calidad durante la masterización. Las pruebas de impresión originales de una sola cara de 1976/77 se masterizaron con el sistema DRAW, al igual que los títulos "educativos" (no destacados) en el momento del lanzamiento del formato en diciembre de 1978.

Las células de Pockels se utilizan en la microscopía de dos fotones para ajustar la intensidad del láser transmitido en una escala de tiempo de microsegundos. ^[11]

En los últimos años, se han empleado células de Pockels en la Instalación Nacional de Ignición situada en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . Cada célula de Pockels de uno de los 192 láseres actúa como una trampa óptica antes de salir a través de un amplificador. Los rayos de todos los 192 láseres convergen finalmente en un único objetivo de combustible de deuterio-tritio con la esperanza de desencadenar una reacción de fusión. ^[12]

• Modulador electro-óptico
• Modulador acústico-óptico
• Efecto Kerr

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