En óptica , el efecto Pockels , o efecto electroóptico de Pockels , es una variación lineal direccionalmente dependiente en el índice de refracción de un medio óptico que se produce en respuesta a la aplicación de un campo eléctrico . Lleva el 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 velocidad 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 potásico de dideuterio ( KD 2 PO 4 , abreviado KD*P o DKDP), el niobato de litio ( LiNbO 3 ). , borato de beta-bario (BBO), titanato de bario (BTO) y en otros medios no centrosimétricos como polímeros polarizados o vidrios de campo eléctrico. El efecto Pockels se ha dilucidado mediante un amplio estudio de las propiedades electroópticas de 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 células de Pockels. Al controlar el índice de refracción, se altera el retardo óptico del cristal, por lo que se cambia el estado de polarización del haz de luz incidente. Por lo tanto, las células Pockels se utilizan como placas de ondas controladas por voltaje , así como en otras aplicaciones fotónicas. Consulte las aplicaciones a continuación para conocer sus usos. Las células de Pockels se dividen en dos configuraciones según las propiedades electroópticas de los cristales: longitudinal y transversal.
Las células longitudinales de Pockels funcionan con un campo eléctrico aplicado a lo largo del eje del cristal óptico o a lo largo de la propagación del haz incidente. Dichos cristales incluyen KDP, KD*P y ADP. Los electrodos están recubiertos como películas transparentes de óxido metálico sobre las caras del cristal por donde se propaga el haz o anillos metálicos (generalmente hechos de oro) recubiertos alrededor del cuerpo del cristal. Los terminales para la aplicación de voltaje están en contacto con los electrodos. El retardo óptico Δφ para células de 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 de aproximadamente 7,6 kV para un cristal KDP con 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 células de Pockels transversales funcionan aplicando un campo eléctrico perpendicular a la propagación del haz. Los cristales utilizados en las células de Pockel transversales incluyen BBO, LiNbO 3 , CdTe , ZnSe y CdSe . [5] Los lados largos del cristal están recubiertos con electrodos. El retardo óptico Δφ para las células de Pockels transversales es similar al de las células de Pockels longitudinales, pero depende de las dimensiones del cristal. Los requisitos de voltaje de cuarto de onda o 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 ampliando 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 ondas de orden cero cuando se corta 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; Si bien la desalineación genera cierta energía en el rayo incorrecto (ya sea e u o , por ejemplo, horizontal o vertical), a diferencia del caso longitudinal, la pérdida no se amplifica a lo largo del cristal.
La alineación del eje del cristal con el eje del rayo es fundamental, independientemente de la configuración. La desalineación conduce a la birrefringencia y a un gran cambio de fase a lo largo del cristal largo. Esto conduce a 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 sólo c /6. De este modo, se integran células rápidas sin fibra óptica en una línea de transmisión adaptada. Colocarlo al final de una línea de transmisión provoca reflexiones y duplica el tiempo de conmutación. La señal del conductor 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 punto [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 centro. Esto no es importante para los tomadores de pulso, sino para las ventanillas de los furgones . El espacio de protección entre la luz y las caras de los cristales debe ser mayor para tiempos de retención más prolongados. Detrás de la onda sonora, el cristal permanece deformado en la posición de equilibrio debido al alto campo eléctrico. Esto aumenta la polarización. Debido al aumento del volumen polarizado, el campo eléctrico en el cristal delante de la onda aumenta linealmente, o el controlador tiene que proporcionar una fuga de corriente constante.
Una celda de Pockels, por diseño, es un capacitor y, a menudo, requiere altos voltajes para cambiar el estado de polarización del rayo láser para que funcione efectivamente como una placa de ondas conmutable. El voltaje requerido depende del tipo de celda de Pockels, la longitud de onda de la luz y el tamaño del cristal; pero normalmente, el rango de voltaje es del orden de 1 a 10 kV. Los controladores de células Pockels proporcionan este alto voltaje en forma de pulsos muy rápidos, que normalmente tienen tiempos de subida de menos de 10 nanosegundos.
Básicamente, existen dos tipos de impulsores: uno rápido o Q, que tiene un tiempo de subida rápido y luego decae lentamente. Una celda Pockels que utiliza un Q-drive a veces se denomina Q-switch. El otro tipo de controlador se conoce como disco regenerativo o R. Las unidades R tendrán un tiempo de subida rápido y un tiempo de caída rápido. El ancho del pulso de salida del controlador puede tener una duración de nanosegundos a microsegundos, según la aplicación. El tipo de accionamiento y su tasa de repetición dependerá del láser y de la aplicación prevista.
Las células de Pockels se utilizan en una variedad de aplicaciones científicas y técnicas. Se puede utilizar una celda de Pockels, combinada con un polarizador, 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 . Se puede utilizar la misma técnica 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 con resolución temporal cuando un cristal se expone a un campo eléctrico desconocido. [7] [8]
Las células de Pockels se utilizan como interruptor Q para generar un pulso láser corto 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 estética médica, metrología, fabricación y holografía.
La selección de pulsos es otra aplicación que utiliza una celda Pockels. Un selector de pulso 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 de Pockels. [9] La celda de Pockels puede captar un pulso de un grupo 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 chirriados y descarga de cavidades 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 polarizando fotones .
Las células de Pockels junto con otros elementos de EO se pueden combinar para formar sondas electroópticas.
Los ingenieros de MCA Disco-Vision ( DiscoVision ) utilizaron una celda de Pockels en el sistema óptico de masterización de videodiscos. 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 grabarían en el videodisco 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 reducía la distorsión del segundo armónico que podía crear la celda de Pockels durante la masterización. MCA utilizó un sistema de masterización DRAW (lectura directa después de la escritura) o un sistema fotorresistente. Originalmente se prefirió el sistema DRAW, 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 ediciones de prueba originales de una sola cara de 1976/77 se masterizaron con el sistema DRAW, al igual que los títulos "educativos" y no destacados en el lanzamiento del formato en diciembre de 1978.
Las células de Pockels se utilizan en microscopía de dos fotones .
En los últimos años, las células Pockels se emplean en la Instalación Nacional de Ignición ubicada en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore . Cada celda de Pockels para uno de los 192 láseres actúa como una trampa óptica antes de salir a través de un amplificador. Los rayos de los 192 láseres finalmente convergen en un único objetivo de combustible de deuterio-tritio con la esperanza de desencadenar una reacción de fusión. [11]
