【儀器使用技巧】普克爾盒工作原理和調(diào)節(jié)技巧
摘要：眾所皆知，具有非中心對稱的非線性雙折射晶體（或其他光學(xué)介質(zhì)）被施加定向的電場后，其雙折射光學(xué)性質(zhì)會(huì)隨著電場的調(diào)制發(fā)生變化。為銘記德國著名科學(xué)家Friedrich Pockel，這種折射率變化和電場成線性關(guān)系的電光效應(yīng)被稱作普克爾（Pockles）效應(yīng)；施加了調(diào)制電壓的非線性晶體器件一般被稱作普克爾盒，且被廣泛應(yīng)用于電光調(diào)Q激光器和脈沖選擇器中。普克爾盒中被廣泛應(yīng)用的非線性晶體包括KD*P, BBO,LiNbO3, KTP等。本文將從技術(shù)層面，基于調(diào)Q和脈沖選擇兩個(gè)功能，就此器件的應(yīng)用屬性做較為詳細(xì)的介紹。
圖一 電光調(diào)Q激光器
一、工作原理簡介
（1）電光調(diào)Q
一臺(tái)典型的電光調(diào)Q脈沖激光器（參照圖一），其核心部件包括激光腔、電光調(diào)制系統(tǒng)、偏振片等。當(dāng)普克爾盒在零電壓情況下，由于腔內(nèi)四分之一波片的存在，激光腔處于高損耗低Q值的狀態(tài)；相反的，當(dāng)施加外電壓，脈沖往返經(jīng)過普克爾盒，偏振發(fā)生90度翻轉(zhuǎn)，此時(shí)激光腔處于低損耗高Q值的狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)激光振蕩。為達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此過程中，需要精確調(diào)節(jié)普克爾盒的姿態(tài)，保證激光的傳播方向和晶體的光軸嚴(yán)格的平行，以達(dá)到偏振嚴(yán)格反轉(zhuǎn)90度的效果。否則非但完不成調(diào)Q最佳效果，甚至?xí)蜉敵瞿芰拷档停瑫r(shí)間質(zhì)量退化，從而造成光學(xué)元件的損傷。
圖二 脈沖選擇器
（2）脈沖選擇
使用普克爾盒和格蘭棱鏡的組合，也可以實(shí)現(xiàn)脈沖重復(fù)頻率調(diào)節(jié)或者指定脈沖的選擇，具體原理參考圖二。高重復(fù)頻率的脈沖序列經(jīng)過普克爾盒，通過控制普克爾盒電壓信號的重復(fù)頻率、時(shí)間延時(shí)和脈沖寬度，以確保電壓的時(shí)間窗口落在需要的信號脈沖上。此過程中，需保證僅此脈沖的偏振方向發(fā)生變化，而其它的脈沖偏振不發(fā)生改變，使用格蘭棱鏡等偏振選擇器件可將所需要的脈沖準(zhǔn)確的選擇出來。
二、安全操作
（1）人身安全
強(qiáng)烈建議調(diào)光過程中佩戴激光防護(hù)鏡。尤其是在偏振片調(diào)節(jié)進(jìn)行中，反射光束可能會(huì)沿豎直方向反射。就安全性講，此操作中應(yīng)盡量設(shè)置光束向下方反射。于此同時(shí)，使用安全擋光板亦可避免潛在的眼損傷。
（2）高壓安全
盡量避免帶電操作普克爾盒；
正常運(yùn)行過程中，需要蓋上頂蓋，防止誤碰高壓電路。
三、普克爾盒調(diào)節(jié)技巧
（1）發(fā)散光束在雙折射晶體中的傳播
基于雙折射晶體的各向異性特點(diǎn)，發(fā)散光束在其中傳播時(shí)所經(jīng)歷的相位變化具有角對稱的特性，若在其后放置一個(gè)偏振片，在多角度上會(huì)形成干涉條紋。此過程中，尤需注意兩個(gè)特殊方向，晶體的o軸和e軸，這兩個(gè)方向上傳播的光束偏振不發(fā)生改變，最終光斑的分布為典型的Isogyre形狀。普克爾調(diào)節(jié)的核心技巧就是產(chǎn)生一個(gè)發(fā)散光束，然后以透過光斑的的相對位置或者對稱性分布為參考，以此衡量是否調(diào)節(jié)得當(dāng)。
圖三 兩種典型的Isogyre形狀
無正交偏振片的分布（左） 正交偏振片后方分布（右）
（2）調(diào)Q激光器中的普克爾盒調(diào)節(jié)
如圖一所示，在安裝或者優(yōu)化調(diào)Q激光器中普克爾盒的時(shí)候：
首先保證光束盡量通過普克爾盒的中心，避免切光。
其次，使用一臺(tái)He-Ne激光器或LD光源通過一張鏡頭紙得到一個(gè)發(fā)散的光束。
在普克爾盒后方放置一個(gè)和腔內(nèi)偏振片正交的選偏器件。將一張卡片置于普克爾盒的后方，若不通過正交偏振片直接觀測，圖三中左圖亦可作為判斷依據(jù)。調(diào)節(jié)普克爾盒的兩個(gè)旋鈕（Pitch和Yaw）使其直接透過光在十字叉線的正中心。如果在正交偏振片的后方觀測，則圖三中的右圖作為判斷依據(jù)，同樣的，調(diào)節(jié)Pitch和Yaw旋鈕，使得正交的整個(gè)圖樣盡量對稱，十字叉線呈對稱分布。
調(diào)節(jié)完成普克爾的姿態(tài)后，切記將外加的激光光源移除或遮擋，然后取出外加的鏡頭紙和偏振片。
激光器運(yùn)行以后，可進(jìn)一步調(diào)節(jié)普克爾盒的姿態(tài)，以保證調(diào)Q電壓零施加狀態(tài)下，腔內(nèi)無激光產(chǎn)生。
可通過調(diào)節(jié)普克爾盒的電壓和時(shí)間延時(shí)來優(yōu)化輸出激光能量和脈沖形狀。
（3）脈沖選擇器中的普克爾盒調(diào)節(jié)
脈沖選擇器中的普克爾盒姿態(tài)調(diào)節(jié)方法和上述方法完全一致，可使用實(shí)際工作激光器，無需借助外在光源。因已具備兩片正交偏振元件，所以只需外加一片鏡頭紙即可。
安裝普克爾盒前，將兩片偏振片調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)完全正交。
嚴(yán)格按照上述步驟操作，即可完美呈現(xiàn)普克爾盒的姿態(tài)。
檢查調(diào)節(jié)效果：在普克爾盒不加電壓的情況下，觀察第二片偏振片后方的激光能量參數(shù)，此時(shí)應(yīng)處于最微弱狀態(tài)。
四、參考文獻(xiàn)
Thibault Dartigalongue and Fran?ois Hache, "Precise alignment of a longitudinal Pockels cell for time-resolved circular dichroism experiments," J. Opt. Soc. Am. B 20, 1780-1787 (2003)
“POCKELS CELL ALIGNMENT IN A Q-SWITCHED LASER”, GOOCH & HOUSEGO 公司產(chǎn)品手冊
Nisperuza, Daniel & Botero, G & Bastidas, Alvaro. (2010). Precise alignment of a longitudinal Pockels cell for Q-switch operation Nd:YAG laser. Revista Cubana de Física. 27. 63-65.
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