El efecto Pockels (después de Friedrich Carl Alwin Pockels quien estudió el efecto en 1893), o efecto electroóptico de Pockels, cambia o produce birrefringencia en un medio óptico inducido por un campo eléctrico . En el efecto Pockels, también conocido como efecto electro-óptico lineal, la birrefringencia es proporcional al campo eléctrico. En el efecto Kerr , el cambio del índice de refracción (birrefringencia) es proporcional al cuadrado del campo. El efecto Pockels se produce solo en cristales que carecen de simetría de inversión , como el niobato de litio , y en otros medios no centrífugos como los polímeros o vidrios con polos de campo eléctrico.
Células de Pockels
Las celdas de Pockels son placas de ondas controladas por voltaje . El efecto Pockels es la base del funcionamiento de las células de Pockels . Las celdas de Pockels pueden usarse para rotar la polarización de un haz que pasa a través. Consulte las aplicaciones a continuación para conocer los usos.
Una celda de Pockels transversal 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 varía con la temperatura. Pero la alineación mecánica del eje del cristal no es tan crítica y, a menudo, se realiza a mano sin tornillos; mientras que la desalineación conduce a algo de energía en el rayo incorrecto (ya sea e u o , por ejemplo, horizontal o vertical), en contraste con el caso longitudinal, la pérdida no se amplifica a lo largo del cristal.
El campo eléctrico se puede aplicar al medio cristalino longitudinalmente o transversalmente al haz de luz. Las celdas longitudinales de Pockels necesitan electrodos transparentes o anulares. Los requisitos de voltaje transversal se pueden reducir alargando el cristal.
La alineación del eje del cristal con el eje del rayo es fundamental. La desalineación conduce a la birrefringencia y a un gran cambio de fase a través del cristal largo. Esto conduce a la rotación de la polarización si la alineación no es exactamente paralela o perpendicular a la polarización.
Dinámica dentro de la célula
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 tanto, las células rápidas sin fibra óptica se integran en una línea de transmisión adaptada. Ponerlo al final de una línea de transmisión genera reflejos 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 en cierto grado [1] ( RTP tiene el más bajo, BBO y niobato de litio son altos). Después de un cambio de voltaje, las ondas de sonido comienzan a propagarse desde los lados del cristal hacia el centro. Esto es importante no para los recolectores de pulsos , sino para las ventanas de los vagones . El espacio de protección entre la luz y las caras de los cristales debe ser mayor para tiempos de espera más prolongados. Detrás de la onda de sonido, el cristal permanece deformado en la posición de equilibrio para el campo eléctrico alto. Esto aumenta la polarización. Debido al aumento 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.
La electrónica del controlador
El controlador debe soportar el doble voltaje que se le devuelve. Las células de Pockels se comportan como un condensador . Al cambiarlos a alto voltaje, se necesita una carga alta; en consecuencia, la conmutación de 3 ns requiere aproximadamente 40 A para una apertura de 5 mm. Los cables más cortos reducen la cantidad de carga desperdiciada en el transporte de corriente a la celda.
El controlador puede emplear muchos transistores conectados en paralelo y en serie. Los transistores son flotantes y necesitan aislamiento de CC para sus puertas. Para hacer esto, la señal de la puerta se conecta a través de fibra óptica o las puertas son impulsadas por un gran transformador . En este caso, se necesita una cuidadosa compensación de la retroalimentación para evitar la oscilación.
El controlador puede emplear una cascada de transistores y un triodo. En un circuito comercial clásico, el último transistor es un MOSFET IRF830 y el triodo es un triodo Eimac Y690 . La configuración con un solo triodo tiene la capacidad más baja; esto incluso justifica apagar la celda aplicando el doble voltaje. Una resistencia asegura la corriente de fuga que necesita el cristal y luego para recargar el condensador de almacenamiento. El Y690 conmuta hasta 10 kV y el cátodo entrega 40 A si la red está en +400 V.En este caso, la corriente de la red es de 8 A y la impedancia de entrada es de 50 ohmios, lo que coincide con los cables coaxiales estándar , y el MOSFET puede por lo tanto, colocarse de forma remota. Algunos de los 50 ohmios se gastan en una resistencia adicional que tira de la polarización a −100 V. El IRF puede conmutar 500 voltios. Puede entregar 18 A pulsados. Sus cables funcionan como una inductancia, se emplea un condensador de almacenamiento, se conecta el cable coaxial de 50 ohmios, el MOSFET tiene una resistencia interna y, al final, este es un circuito RLC críticamente amortiguado , que se dispara mediante un pulso a la puerta de el MOSFET.
La puerta necesita pulsos de 5 V (rango: ± 20 V) mientras está provista de 22 nC. Por lo tanto, la ganancia de corriente de este transistor es una para la conmutación de 3 ns, pero todavía tiene ganancia de voltaje. Por lo tanto, teóricamente también podría usarse en una configuración de puerta común y no en una configuración de fuente común . Los transistores, que conmutan 40 V suelen ser más rápidos, por lo que en la etapa anterior es posible una ganancia de corriente.
Aplicaciones de las células de Pockels
Las células 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 rotación sin rotación óptica y rotación de 90 °, 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 rayo de salida , cuando se ve a través del polarizador, contiene una señal de amplitud modulada . Esta señal modulada se puede utilizar para mediciones de campo eléctrico de resolución temporal cuando un cristal se expone a un campo eléctrico desconocido. [2] [3]
Las células de Pockels se utilizan para prevenir la retroalimentación de una cavidad láser mediante el uso de un prisma polarizador . Esto evita la amplificación óptica al dirigir la luz de cierta polarización fuera de la cavidad. Debido a esto, el medio de ganancia se bombea a un estado muy excitado. Cuando el medio se ha saturado de energía, la celda de Pockels se cambia a "abierta" y se permite que la luz intracavitaria salga. Esto crea un pulso muy rápido y de alta intensidad. La conmutación Q , la amplificación de pulso chirrido y el vaciado de cavidades utilizan esta técnica.
Células de Pockels se pueden utilizar para la distribución de clave cuántica por polarizar 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 de Pockels en el sistema de masterización de videodisco óptico. La luz de un láser de iones de argón se pasó a través de la celda de Pockels para crear modulaciones de pulso correspondientes a las señales de audio y video FM originales que se grabarán en el disco de video maestro. MCA utilizó la celda de Pockels en la masterización de videodiscos hasta la venta a Pioneer Electronics. Para aumentar la calidad de las grabaciones, MCA patentó un estabilizador de celda de Pockels que redujo la distorsión del segundo armónico que podría crear la celda de Pockels durante la masterización. MCA usó un sistema de masterización DRAW (lectura directa después de escritura) o un sistema de fotorresistencia. Originalmente se prefirió el sistema DRAW, ya que no requería condiciones de sala limpia durante la grabación del disco y permitía una verificación de calidad instantánea durante la masterización. Las prensas de prueba de una sola cara originales de 1976/77 se dominaron con el sistema DRAW, al igual que los títulos "educativos" que no incluían funciones en el lanzamiento del formato en diciembre de 1978.
Las células de Pockels se utilizan en microscopía de dos fotones .
Ver también
- Modulador electro-óptico
- Modulador acústico-óptico
- Efecto Kerr
Referencias
- ^ Joseph Valasek, "Propiedades de la sal de Rochelle relacionadas con el efecto piezoeléctrico", Physical Review , 1922, Vol XIX, No. 478
- ^ Consoli, F .; De Angelis, R .; Duvillaret, L .; Andreoli, PL; Cipriani, M .; Cristofari, G .; Di Giorgio, G .; Ingenito, F .; Verona, C. (15 de junio de 2016). "Medidas absolutas resueltas en el tiempo por efecto electro-óptico de pulsos electromagnéticos gigantes debido a la interacción láser-plasma en régimen de nanosegundos" . Informes científicos . 6 (1). Código Bibliográfico : 2016NatSR ... 627889C . doi : 10.1038 / srep27889 . PMC 4908660 . PMID 27301704 .
- ^ Robinson, TS; Consoli, F .; Giltrap, S .; Eardley, SJ; Hicks, GS; Ditter, EJ; Ettlinger, O .; Stuart, NH; Notley, M .; De Angelis, R .; Najmudin, Z .; Smith, RA (20 de abril de 2017). "Detección óptica de bajo ruido resuelto en el tiempo de pulsos electromagnéticos de interacciones láser de petavatios-materia" . Informes científicos . 7 (1). Código bibliográfico : 2017NatSR ... 7..983R . doi : 10.1038 / s41598-017-01063-1 . PMC 5430545 . PMID 28428549 .
enlaces externos
- Documento sobre los controladores de celda Pockels de conmutación ultrarrápida
- Primer de Pockels Cell - Artículo sobre los conceptos básicos de Pockels Cell
- Revisión de dispositivos electroópticos : artículo sobre las células de Pockels