普克尔盒——电光器件,用于构建调制器

时间:2021-07-12 来源:新特光电 访问量:1071

普克尔盒也叫普克尔斯盒,是一种由电光晶体(附有一些电极)组成的装置,光束可以通过它传播。晶体中的相位延迟(→ 普克尔斯效应)可以通过施加可变电压来调制。因此,普克尔盒充当电压控制波片。普克尔盒是电光调制器的基本组件,例如用于调Q激光器。

它的原理就是克尔电光效应,即放在电场中的晶体,由于其分子受到电力的作用而发生取向(偏转),呈现各向异性,结果产生双折射,即沿两个不同方向物质对光的折射能力有所不同。

普克尔盒一般用来做电光调制器电光调制器是一套系统,需要普克尔盒加上驱动电源,根据参数需求不同可选择不同的调制类型和调制频率。一般对光有3种调制:强度调制,偏振态调制和相位调制。

几何形状和材料

关于外加电场的方向,普克尔盒可以有两种不同的几何形状:

纵向器件具有沿光束方向的电场,光束穿过电极中的孔。大光圈很容易实现,因为所需的驱动电压基本上与光圈无关。电极可以是金属环(左)或带有金属触点的端面(右)透明层。

具有纵向电场的普克尔盒

具有纵向电场的普克尔盒。电极在端面(左侧)或外面(右侧)上是环。

横向装置具有垂直于光束的电场。该场通过晶体侧面的电极施加。对于小孔径,它们可以具有较低的开关电压。

具有横向电场的普克尔盒

具有横向电场的普克尔盒。左侧是体调制器,右侧是波导调制器。

普克尔盒常见的非线性晶体材料有磷酸二氘钾(KD*P =DKDP)、磷酸氧钛钾(KTP)、β-硼酸钡(BBO)(后者用于更高的平均功率和/或更高的开关频率),铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)和磷酸二氢铵(NH4H2PO4,ADP)。

Impact系列基于KD*P普克尔盒

Impact系列基于KD*P普克尔盒,其可以用于调Q的固态激光器。

半波电压

普克尔盒的一个重要特性是半波电压Uπ(也称为Uλ/2或Vλ/2)。这是引起π相变所需的电压,相当于半个光波长。在调幅器中,施加的电压必须改变这个值,以便从传输最小的操作点到传输最大的操作点。

具有横向电场的普克尔盒的半波电压取决于晶体材料、电极间距和施加电场的区域的长度。对于更大的开孔,电极间距需要更大,因此电压也需要更大。

对于具有纵向电场的普克尔盒,晶体长度无关紧要,因为例如较短的长度也会增加给定电压的电场强度。在不增加半波电压的情况下可以实现更大的孔径。

典型的普克尔盒具有数百甚至数千伏的半波电压,因此大调制深度需要高压放大器。对于高度非线性晶体材料(如LiNbO3)和具有小电极间距的集成光调制器,相对较小的半波电压是可能的,但此类器件的功率处理能力有限。

使用普克尔盒进行强度调制的示例

例如,考虑一个基于普克尔盒的简单强度调制器,其中输入光束的线性偏振与非线性晶体的光轴成 45° 角。我们假设晶体在没有外加电场的情况下没有双折射,并且它具有给定的半波电压Uπ。在晶体后面,我们有一个偏振器,它被对齐,这样我们就可以在没有施加电压的情况下获得 100% 的透射率(不考虑一些寄生损耗)。在这种情况下,我们可以将发射场视为两个强度相同的同相场分量的叠加。施加电场后,这些场分量获得的相位差为Δφ  = π U/Uπ。然后总传输幅度与0.5 · (1+expiΔφ)成正比,我们得到以下功率传输结果:

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如果偏振器被旋转,使得我们在零电压下获得零透射,则公式包含 sin 而不是 cos。

计算表明,为了在0和100% 之间切换恒等调制器的传输,只需将施加的电压修改一个半波电压。通常,人们会在零和半波电压之间改变电压,尽管原则上也可以在- Uπ/2和+Uπ/2之间改变它。

调制带宽

普克尔盒可能的调制带宽可能非常高——许多兆赫,甚至可能是数千兆赫。它基本上仅受可以修改电光晶体中电场强度的速度的限制。因此,它基本上受到所使用的普克尔盒驱动器电子设备的限制,并且可能受到驱动器和普克尔盒之间的电缆连接的限制。然而,具有高电容的普克尔盒使驱动器更难以实现高带宽。因此,使用具有低介电敏感性ε r 的晶体材料是有益的。此外,所选择的电极几何形状可以发挥作用,并且这也可能受到例如关于开孔的要求的影响。

G&H普克尔盒

G&H是一家领先的晶体生产商,拥有数十年的电光器件设计经验。生产各种普克尔盒,适用于从紫外线到红外线波长的应用。平均功率、重复率和设计配置等因素决定了推荐的设备类型。

G&H普克尔盒

利用专有的晶体生长、制造和抛光技术,我们在 β 氧化钡 (BBO)、碲化镉 (CdTe)、磷酸二氢钾 (KDP) 和磷酸二氘钾 (KD*P) 中制造纵向和横向电极配置的普克尔盒,它们依靠普克尔斯效应(也称为线性电光效应)起作用。

普克尔盒有两种电气配置;横向和纵向。

横向细胞在垂直于光束的电场下工作。由于光不通过电极,这些普克尔盒通常采用不透明的金属电极,并且工作电压取决于几何形状。G&H LiNbO3、BBO和CdTe普克尔盒采用这种设计。(铌酸锂、LightGate 和IRX系列普克尔盒。)

纵向细胞定向电场平行于光束。一些设计使用透明导电氧化铟锡 (ITO) 的面电极、线栅、中间有孔的金属电极,以便光束通过,甚至是导电等离子体。另一种方法是将电极放置在圆柱形晶体的桶上,靠近抛光面。这会从光束路径中移除电极,如果设计得当,不会降低性能。G&H 在其 KD*P Pockels 普克尔盒的产品中使用了这种方法。(QX、CQX、IMPACT 和TX系列普克尔盒。)

为了提供最适合您用途的设备,G&H 提供行业标准 QX 系列、经济型 IMPACT 普克尔盒、基于 BBO 的 LightGate、IRX CdTe IR 和大孔径 TX Pockels 普克尔盒系。

QX系列

作为行业标准的KD*P普克尔盒被广泛接受,G&H自1980年代以来一直制造并不断改进QX系列普克尔盒。发现QX系列普克尔盒在安装后数十年仍能正常运行的情况并不少见。

小孔径 KD*P 普克尔盒

G&H小孔径 KD*P普克尔盒包括IMPACT、CQX和QX系列。使用哪种小孔径 KD*P普克尔盒涉及将所需的通光孔径和操作重复率与适当的设备相匹配。

IMPACT系列

为了以1kHz或更低的重复率运行,IMPACT系列的独特结构使OEM能够整合到医疗和美容激光系统等应用中。它在高对比度下提供可靠的性能。

CQX系列

CQX系列采用与IMPACT系列相似的制造技术,但外形尺寸与QX系列相同。在重复率保持在1kHz以下的情况下,这使得CQX普克尔盒成为QX系列普克尔盒的合适改装/替代品。

大孔径 KD*P 普克尔盒

我们的TX系列大孔径 KD*P普克尔盒设计用作光隔离器,通过阻止大型激光平台(如拍瓦激光器和/或激光聚变程序)中的背反射来保护光束线。我们生产必要的晶体来制造这种非常苛刻的内部应用所需的设备。

BBO 普克尔盒

对于高平均功率和高重复率应用,我们的LightGate BBO普克尔盒是KD*P普克尔盒的首选替代品。LightGate系列 BBO普克尔盒采用具有双晶体的横向电场几何结构以最小化驱动电压(对于4毫米孔径的 LightGate4,~2.9kV四分之一波电压 @1064nm)。

BBO 普克尔盒在大约0.2 - 1.65 µm范围内运行,并且不会受到跟踪退化的影响。我们从 1980年代开始发展的BBO表现出低压电响应、良好的热稳定性和低吸收。由于 BBO 的压电耦合系数低,LightGate 单元可在数百千赫兹的重复率下工作。

LightGate 系列 BBO 普克尔盒有多种配置,可满足各种应用。这些普克尔盒可用于再生放大器、高脉冲重复率微加工激光器和用于材料加工和金属退火的高平均功率激光器。

我们还提供单晶普克尔盒、需要电压降低50%的更长普克尔盒以及具有水冷孔的普克尔盒,以实现高平均功率操作。

中红外普克尔盒

G&H基于碲化镉的 IRX Q开关最初设计用于满足10.6µm的Q开关CO2激光器市场,可配置为在~3-12µm范围内运行。其高电光系数和非吸湿性使CdTe非常适合此用途。凭借40多年的电光设备设计经验,我们能够为 IRX 普克尔盒提供孔径范围为3-10毫米的应用特定增透膜。

IRX 普克尔盒能够解决超出由氧化物基晶体构成的传统普克尔盒光谱范围的应用。水冷设计采用降低环境光敏感度的封装,以提高平均功率处理能力。可选择正在申请专利的环保设计和高平均功率。

普克尔盒的应用

放大器、CO2激光器、激光融合、材料加工、医疗和美容激光系统、金属退火、微加工、光开关、拍瓦激光器、再生放大器。

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