ポッケルス効果

光学において、ポッケルス効果、またはポッケルス電気光学効果は、電場の印加に応じて光学媒体の屈折率が方向に依存して線形に変化する現象である。この効果は、 1893年にこの効果を研究したドイツの物理学者フリードリヒ・カール・アルヴィン・ポッケルスにちなんで名付けられた。 ^{[1] [2]}非線形効果であるカー効果は、印加電場の2乗に比例した率で屈折率の変化を引き起こす。光学媒体において、ポッケルス効果は印加電場の強度に比例して 複屈折を変化させる。

ポッケルス効果は、リン酸一カリウム（KH ₂ PO ₄、略称KDP）、リン酸二重水素カリウム（KD ₂ PO ₄、略称KD*PまたはDKDP）、ニオブ酸リチウム（LiNbO ₃）、ベータバリウムホウ酸（BBO）、チタン酸バリウム（BTO）などの反転対称性のない結晶や、電界分極ポリマーやガラスなどの他の非中心対称媒体で発生します。ポッケルス効果は、KDPなどの材料の電気光学特性の広範な研究を通じて解明されています。^[3]

ポッケルスセルの主要コンポーネントは、光軸を持つ非中心対称の単結晶で、その屈折率は外部電界によって制御されます。言い換えると、ポッケルス効果がポッケルスセルの動作の基盤です。屈折率を制御することで、結晶の光学遅延が変化し、入射光線の偏光状態が変わります。したがって、ポッケルスセルは、電圧制御波長板として、また他のフォトニクス用途として使用されます。用途については、以下のアプリケーションを参照してください。ポッケルスセルは、結晶の電気光学特性に応じて、縦方向と横方向の 2 つの構成に分けられます。

縦方向ポッケルスセルは、結晶の光軸に沿って、または入射ビームの伝播に沿って電界を印加することで動作します。このような結晶には、KDP、KD*P、および ADP があります。電極は、ビームが伝播する結晶面に透明な金属酸化物フィルムとしてコーティングされるか、または結晶本体の周囲に金属リング (通常は金製) としてコーティングされます。電圧印加用の端子は電極に接触しています。縦方向ポッケルスセルの光学遅延Δφ は、通常の屈折率n _o、電気光学定数r ₆₃ (単位は m/V)、および印加電圧Vに比例し、入射ビームの波長λ ₀に反比例します。たとえば、半波長電圧は、 n _o = 1.51、λ _0でr ₆₃ = 10.6X10-12 m/V 、および Δφ = πである KDP 結晶の場合、約 7.6 kV です。^[4]縦方向ポッケルスセルを使用する利点は、1/4波長または1/2波長の遅延に必要な電圧が結晶の長さや直径に依存しないことです。

横方向ポッケルスセルは、ビームの伝播に対して垂直に電界を印加して動作します。横方向ポッケルスセルに使用される結晶には、BBO、LiNbO ₃、CdTe、ZnSe、CdSeなどがあります。^[5] 結晶の長辺は電極でコーティングされています。横方向ポッケルスセルの光学遅延Δφ は縦方向ポッケルスセルのものと似ていますが、結晶の寸法に依存します。1/4 波長または 1/2 波長の電圧要件は結晶の開口部のサイズに応じて増加しますが、結晶を長くすることで要件を減らすことができます。

横方向ポッケルスセルには、2 つ以上の結晶を組み込むことができます。理由の 1 つは、ポッケルスセルの全体の長さを延長することで、電圧要件を削減するためです。もう 1 つの理由は、KDP が 2 軸であり、縦方向構成ではr ₆₃ 、横方向構成ではr ₄₁という 2 つの電気光学定数を持つという事実です。KDP (またはその同形のいずれか) を使用する横方向ポッケルスセルは、反対方向の 2 つの結晶で構成され、電圧をオフにすると、これらが一緒になってゼロ次波長板になります。これは完璧ではないことが多く、温度によってドリフトします。ただし、結晶軸の機械的な調整はそれほど重要ではなく、ネジを使わずに手作業で行われることがよくあります。調整がずれると間違った光線 ( eまたはo  、たとえば水平または垂直) にいくらかのエネルギーが発生しますが、縦方向の場合とは対照的に、損失は結晶の長さにわたって増幅されません。

構成に関係なく、結晶軸と光線軸のアライメントは重要です。アライメントがずれると、複屈折が発生し、長い結晶全体で大きな位相シフトが発生します。アライメントが偏光に対して正確に平行または垂直でない場合は、 偏光の 回転が発生します。

結晶内部の相対誘電率はε _r ≈ 36と高いため、電界の変化はc /6 の速度でしか伝わりません。高速の非光ファイバーセルは、整合された伝送ラインに埋め込まれます。伝送ラインの端に配置すると、反射が発生し、スイッチング時間が 2 倍になります。ドライバーからの信号は、結晶の両端につながる平行線に分割されます。結晶内でそれらが出会うと、電圧が加算されます。光ファイバー用のポッケルスセルは、電流要件を減らして速度を上げるために、進行波設計を採用する場合があります。

使用可能な結晶は、ある程度の圧電効果も示します^[6] (RTP ( RbTiOPO ₄ ) は最も低く、BBOとリチウムニオブ酸塩は最も高くなります)。電圧が変化すると、音波は結晶の側面から中央に向かって伝播し始めます。これはパルスピッカーではなく、ボックスカーウィンドウにとって重要です。保持時間を長くするには、光と結晶面の間のガードスペースを大きくする必要があります。音波の後ろでは、結晶は高電界の平衡位置で変形したままになります。これにより分極が増加します。分極体積が大きくなるため、波の前の結晶の電界は直線的に増加するか、ドライバーが一定の電流漏れを提供する必要があります。

ポッケルスセルは、設計上はコンデンサであり、切り替え可能な波長板として効果的に動作するために、レーザービームの偏光状態を変更するために高電圧が必要になることがよくあります。必要な電圧は、ポッケルスセルの種類、光の波長、および結晶のサイズによって異なりますが、通常、電圧範囲は 1 ～ 10 kV 程度です。ポッケルスセルドライバは、この高電圧を非常に高速なパルスの形で提供します。その立ち上がり時間は通常 10 ナノ秒未満です。

基本的に、ドライバには 2 つのタイプがあります。立ち上がり時間が速く、その後ゆっくりと減衰するクイック ドライブまたは Q ドライブです。Q ドライブを使用するポッケルス セルは、Q スイッチと呼ばれることもあります。もう 1 つのタイプのドライバは、再生型または R ドライブと呼ばれます。R ドライブは立ち上がり時間が速く、立ち下がり時間が速いです。ドライバの出力パルス幅は、アプリケーションに応じてナノ秒からマイクロ秒までです。ドライブのタイプとその繰り返し率は、レーザーと目的のアプリケーションによって異なります。

ポッケルスセルは、さまざまな科学技術アプリケーションで使用されています。ポッケルスセルは、偏光子と組み合わせることで、初期の偏光状態と半波長位相遅延を切り替えることができ、ナノ秒単位で「開く」および「閉じる」ことができる高速シャッターを作成できます。同じ技術を使用して、0°と90°の間で回転を変調することにより、ビームに情報を刻印することができます。偏光子を通して見ると、出射ビームの強度には振幅変調信号が含まれています。この変調信号は、結晶が未知の電界にさらされた場合の時間分解電界測定に使用できます。^{[7] [8]}

ポッケルスセルは、短くて高強度のレーザーパルスを生成するためのQ スイッチとして使用されます。ポッケルスセルは、レーザーキャビティに偏光依存損失を導入することで光増幅を防ぎます。これにより、ゲイン媒体は高い反転分布を持つことができます。ゲイン媒体が望ましい反転分布を持つと、ポッケルスセルは「オープン」に切り替わり、短い高エネルギーレーザーパルスが生成されます。Q スイッチレーザーは、医療美容、計測、製造、ホログラフィーなど、さまざまな用途で使用されています。

パルスピッキングは、ポッケルスセルを使用するもう1つのアプリケーションです。パルスピッカーは通常、発振器、電気光学変調器、増幅器、高電圧ドライバ、周波数倍増変調器、およびポッケルスセルで構成されています。^[9]ポッケルスセルは、レーザー誘起束からパルスを拾い上げ、同期した電気光学スイッチングによって残りのパルスをブロックします。

ポッケルスセルは、再生増幅器、チャープパルス増幅、キャビティダンピングにも使用され、レーザーや光増幅器に光パワーを出入りさせます。^[10]

ポッケルスセルは光子を偏光させることにより量子鍵配布に使用できます。

ポッケルスセルを他の EO 要素と組み合わせて電気光学プローブを形成できます。

ポッケルスセルは、MCA Disco-Vision ( DiscoVision ) のエンジニアによって光学式ビデオディスクマスタリングシステムに使用されていました。アルゴンイオンレーザーからの光がポッケルスセルを通過し、マスタービデオディスクに記録される元の FM ビデオおよびオーディオ信号に対応するパルス変調を作成しました。MCA は、Pioneer Electronics に売却されるまで、ビデオディスクマスタリングにポッケルスセルを使用していました。録音の品質を向上させるために、MCA はマスタリング中にポッケルスセルによって生成される可能性のある第 2 高調波歪みを低減するポッケルスセルスタビライザーの特許を取得しました。MCA は、DRAW (Direct Read After Write) マスタリングシステムまたはフォトレジストシステムのいずれかを使用しました。DRAW システムは、ディスク記録中にクリーンルーム条件を必要とせず、マスタリング中に即座に品質をチェックできるため、当初は好まれていました。 1976/77 年のオリジナルの片面テスト プレスは、1978 年 12 月にこのフォーマットがリリースされたときの「教育用」の非長編タイトルと同様に、DRAW システムでマスタリングされました。

ポッケルスセルは2光子顕微鏡で使用され、マイクロ秒単位の時間スケールで透過レーザー強度を調整します。^[11]

近年、ポッケルスセルはローレンス・リバモア国立研究所にある国立点火施設で使用されています。192個のレーザーのそれぞれに備わったポッケルスセルは、増幅器から出射する前に光トラップとして機能します。192個のレーザーすべてからのビームは、最終的に重水素-三重水素燃料の単一のターゲットに収束し、核融合反応を引き起こすことが期待されています。^[12]

• 電気光学変調器
• 音響光学変調器
• カー効果

ウィキメディア・コモンズには、ポッケルス効果に関連するメディアがあります。