Электрооптические ячейки Покельса

В некоторых кристаллах наблюдается изменение показателей преломления прямо пропорционально величине приложенного электрического поля. Данное явление называется линейным электрооптическим (ЭО) эффектом или эффектом Покельса. Электрически наведенное двупреломление приводит к относительной фазовой задержке ортогонально поляризованных компонент проходящего через кристалл линейно поляризованного светового пучка в зависимости от величины приложенного к кристаллу напряжения. В общем случае это описывается тензором электрооптических коэффициентов и приводит к довольно громоздким выражениям. Однако во многих случаях вычисления упрощаются благодаря симметрии кристалла и специальному выбору направлений электрического  поля и распространения света относительно осей кристалла.

На практике применяются две основные конфигурации.

В продольной конфигурации световой пучок и электрическое поле параллельны. Например в широко применяемых кристаллах КDР и DКDР при распространении света вдоль оптической оси фазовая задержка будет равна Г = Πn_o3r₆₃EL/λ, где no – показатель преломления, r₆₃ – ЭО коэффициент, соответствующий выбранной конфигурации взаимодействия, Е – электрическое поле, L – длина кристалла, λ - длина световой волны.
Очевидно, фазовая задержка Г пропорциональна напряжению U = EL, приложенному к кристаллу. Этот случай называется фазовой модуляцией.  Если поместить кристалл между двумя скрещенными поляризаторами, выходная интенсивность будет подчиняться закону Малюса I = I_osin² (Г/2), т.е. выходная интенсивность модулируется приложенным напряжением и в данном случае говорят об амплитудной модуляции. Максимальная выходная интенсивность достигается, когда фазовая задержка равна p (половина длины волны). Можно заметить, что соответствующее напряжение Up = λ/2 n_o3r₆₃, т.е. определяется только длиной волны и свойствами материала.
В связи с этим Up или полуволновое напряжение часто используют как параметр, характеризующий эффективность материала для ЭО модуляции.
Продольная конфигурация практически полезна при модуляции широкоапертурных световых пучков и до сих пор широко применяется для кристаллов КДР и ДКДР, несмотря на некоторые проблемы, связанные с высокими управляющими напряжениями (до 10 кВт), с техническими сложностями нанесения прозрачных проводящих электродов или специальных кольцевых электродов для формирования продольного электрического поля, а также  необходимостью защиты этих гигроскопичных кристаллов от атмосферной влаги.

В поперечной конфигурации электрическое поле перпендикулярно световому пучку, что достигается нанесением электродов на две боковые грани кристалла. В этом случае фазовая задержка определяется не только приложенным напряжением, но также и геометрией кристалла. В дополнение к более простой конструкции электродов поперечная конфигурация позволяет снизить управляющее напряжение в число раз, определяемое отклонением длины кристалла L к его апертуре d (расстояние между электродами). Поэтому поперечная модуляция широко применяется для ряда кристаллов, таких, как LiNbO₃, LiTaO₃, BBO и КТР.
ЭО кристалл, необходимым образом ориентированный, отполированный, с нанесенными просветляющими покрытиями и электродами и смонтированный в специальную ячейку с выводами для подключения управляющего напряжения, иногда с добавлением поляризационных элементов (призма Глана или фазовая пластина) называется ячейкой Покельса. Для оптимального выбора кристалла для такой ячейки следует принимать во внимание много параметров: рабочий диапазон длин волн, оптическая мощность, диапазон управляющих напряжений и частот модуляции, диэлектрические потери и др.  

Кристаллы LiNbO₃ и LiTaO₃ являются негигроскопичными, химически и механически стабильными материалами с возможностью выращивания кристаллов оптического качества и крупных размеров при умеренной стоимости. Эти свойства в сочетании с широким диапазоном прозрачности и высокими ЭО коэффициентами обусловили широкое применение LiNbO3 и LiTaO3 для создания ячеек Покельса компактной и надежной конструкции для широкого спектра применений. Следует отдельно выделить ячейки для модуляции добротности лазерных резонаторов (лазерные затворы или electro – optic Q – switches), изготавливаемые из материала самого высокого качества, с минимальными искажениями волнового фронта и низкими световыми потерями за счет просветляющих покрытий с низким остаточным отражением. Возможно также изготовление ячеек с торцевыми гранями под углом Брюстера.

Ниже приводится краткое описание поперечных конфигураций ЭО ячеек на кристаллах LiNbO₃ и LiTaO₃.