普克爾盒——電光器件，用于構建調制器

普克爾盒也叫普克爾斯盒，是一種由電光晶體（附有一些電極）組成的裝置，光束可以通過它傳播。晶體中的相位延遲（→ 普克爾斯效應）可以通過施加可變電壓來調制。因此，普克爾盒充當電壓控制波片。普克爾盒是電光調制器的基本組件，例如用于調Q激光器。

它的原理就是克爾電光效應，即放在電場中的晶體，由于其分子受到電力的作用而發生取向（偏轉），呈現各向異性，結果產生雙折射，即沿兩個不同方向物質對光的折射能力有所不同。

普克爾盒一般用來做電光調制器，電光調制器是一套系統，需要普克爾盒加上驅動電源，根據參數需求不同可選擇不同的調制類型和調制頻率。一般對光有3種調制：強度調制，偏振態調制和相位調制。

幾何形狀和材料

關于外加電場的方向，普克爾盒可以有兩種不同的幾何形狀：

縱向器件具有沿光束方向的電場，光束穿過電極中的孔。大光圈很容易實現，因為所需的驅動電壓基本上與光圈無關。電極可以是金屬環（左）或帶有金屬觸點的端面（右）透明層。

具有縱向電場的普克爾盒。電極在端面（左側）或外面（右側）上是環。

橫向裝置具有垂直于光束的電場。該場通過晶體側面的電極施加。對于小孔徑，它們可以具有較低的開關電壓。

具有橫向電場的普克爾盒。左側是體調制器，右側是波導調制器。

普克爾盒常見的非線性晶體材料有磷酸二氘鉀（KD*P =DKDP）、磷酸氧鈦鉀（KTP）、β-硼酸鋇（BBO）（后者用于更高的平均功率和/或更高的開關頻率），鈮酸鋰（LiNbO3）、鉭酸鋰（LiTaO3）和磷酸二氫銨（NH4H2PO4，ADP）。

Impact系列基于KD*P普克爾盒，其可以用于調Q的固態激光器。

半波電壓

普克爾盒的一個重要特性是半波電壓Uπ（也稱為Uλ/2或Vλ/2）。這是引起π相變所需的電壓，相當于半個光波長。在調幅器中，施加的電壓必須改變這個值，以便從傳輸最小的操作點到傳輸最大的操作點。

具有橫向電場的普克爾盒的半波電壓取決于晶體材料、電極間距和施加電場的區域的長度。對于更大的開孔，電極間距需要更大，因此電壓也需要更大。

對于具有縱向電場的普克爾盒，晶體長度無關緊要，因為例如較短的長度也會增加給定電壓的電場強度。在不增加半波電壓的情況下可以實現更大的孔徑。

典型的普克爾盒具有數百甚至數千伏的半波電壓，因此大調制深度需要高壓放大器。對于高度非線性晶體材料（如LiNbO3）和具有小電極間距的集成光調制器，相對較小的半波電壓是可能的，但此類器件的功率處理能力有限。

使用普克爾盒進行強度調制的示例

例如，考慮一個基于普克爾盒的簡單強度調制器，其中輸入光束的線性偏振與非線性晶體的光軸成 45° 角。我們假設晶體在沒有外加電場的情況下沒有雙折射，并且它具有給定的半波電壓Uπ。在晶體后面，我們有一個偏振器，它被對齊，這樣我們就可以在沒有施加電壓的情況下獲得 100% 的透射率（不考慮一些寄生損耗）。在這種情況下，我們可以將發射場視為兩個強度相同的同相場分量的疊加。施加電場后，這些場分量獲得的相位差為Δφ ?=?π?U/Uπ。然后總傳輸幅度與0.5 · (1+expiΔφ)成正比，我們得到以下功率傳輸結果：

如果偏振器被旋轉，使得我們在零電壓下獲得零透射，則公式包含 sin 而不是 cos。

計算表明，為了在0和100% 之間切換恒等調制器的傳輸，只需將施加的電壓修改一個半波電壓。通常，人們會在零和半波電壓之間改變電壓，盡管原則上也可以在- Uπ/2和+Uπ/2之間改變它。

調制帶寬

普克爾盒可能的調制帶寬可能非常高——許多兆赫，甚至可能是數千兆赫。它基本上僅受可以修改電光晶體中電場強度的速度的限制。因此，它基本上受到所使用的普克爾盒驅動器電子設備的限制，并且可能受到驅動器和普克爾盒之間的電纜連接的限制。然而，具有高電容的普克爾盒使驅動器更難以實現高帶寬。因此，使用具有低介電敏感性ε r 的晶體材料是有益的。此外，所選擇的電極幾何形狀可以發揮作用，并且這也可能受到例如關于開孔的要求的影響。

G&H普克爾盒

G&H是一家領先的晶體生產商，擁有數十年的電光器件設計經驗。生產各種普克爾盒，適用于從紫外線到紅外線波長的應用。平均功率、重復率和設計配置等因素決定了推薦的設備類型。

利用專有的晶體生長、制造和拋光技術，我們在 β 氧化鋇 (BBO)、碲化鎘 (CdTe)、磷酸二氫鉀 (KDP) 和磷酸二氘鉀 (KD*P) 中制造縱向和橫向電極配置的普克爾盒，它們依靠普克爾斯效應（也稱為線性電光效應）起作用。

普克爾盒有兩種電氣配置；橫向和縱向。

橫向細胞在垂直于光束的電場下工作。由于光不通過電極，這些普克爾盒通常采用不透明的金屬電極，并且工作電壓取決于幾何形狀。G&H LiNbO3、BBO和CdTe普克爾盒采用這種設計。（鈮酸鋰、LightGate 和IRX系列普克爾盒。）

縱向細胞定向電場平行于光束。一些設計使用透明導電氧化銦錫 (ITO) 的面電極、線柵、中間有孔的金屬電極，以便光束通過，甚至是導電等離子體。另一種方法是將電極放置在圓柱形晶體的桶上，靠近拋光面。這會從光束路徑中移除電極，如果設計得當，不會降低性能。G&H 在其 KD*P Pockels 普克爾盒的產品中使用了這種方法。（QX、CQX、IMPACT 和TX系列普克爾盒。）

為了提供最適合您用途的設備，G&H 提供行業標準 QX 系列、經濟型 IMPACT 普克爾盒、基于 BBO 的 LightGate、IRX CdTe IR 和大孔徑 TX Pockels 普克爾盒系。

QX系列

作為行業標準的KD*P普克爾盒被廣泛接受，G&H自1980年代以來一直制造并不斷改進QX系列普克爾盒。發現QX系列普克爾盒在安裝后數十年仍能正常運行的情況并不少見。

小孔徑 KD*P 普克爾盒

G&H小孔徑 KD*P普克爾盒包括IMPACT、CQX和QX系列。使用哪種小孔徑 KD*P普克爾盒涉及將所需的通光孔徑和操作重復率與適當的設備相匹配。

IMPACT系列

為了以1kHz或更低的重復率運行，IMPACT系列的獨特結構使OEM能夠整合到醫療和美容激光系統等應用中。它在高對比度下提供可靠的性能。

CQX系列

CQX系列采用與IMPACT系列相似的制造技術，但外形尺寸與QX系列相同。在重復率保持在1kHz以下的情況下，這使得CQX普克爾盒成為QX系列普克爾盒的合適改裝/替代品。

大孔徑 KD*P 普克爾盒

我們的TX系列大孔徑 KD*P普克爾盒設計用作光隔離器，通過阻止大型激光平臺（如拍瓦激光器和/或激光聚變程序）中的背反射來保護光束線。我們生產必要的晶體來制造這種非常苛刻的內部應用所需的設備。

BBO 普克爾盒

對于高平均功率和高重復率應用，我們的LightGate BBO普克爾盒是KD*P普克爾盒的首選替代品。LightGate系列 BBO普克爾盒采用具有雙晶體的橫向電場幾何結構以最小化驅動電壓（對于4毫米孔徑的 LightGate4，~2.9kV四分之一波電壓 @1064nm）。

BBO 普克爾盒在大約0.2 - 1.65 μm范圍內運行，并且不會受到跟蹤退化的影響。我們從 1980年代開始發展的BBO表現出低壓電響應、良好的熱穩定性和低吸收。由于 BBO 的壓電耦合系數低，LightGate 單元可在數百千赫茲的重復率下工作。

LightGate 系列 BBO 普克爾盒有多種配置，可滿足各種應用。這些普克爾盒可用于再生放大器、高脈沖重復率微加工激光器和用于材料加工和金屬退火的高平均功率激光器。

我們還提供單晶普克爾盒、需要電壓降低50%的更長普克爾盒以及具有水冷孔的普克爾盒，以實現高平均功率操作。

中紅外普克爾盒

G&H基于碲化鎘的 IRX Q開關最初設計用于滿足10.6μm的Q開關CO2激光器市場，可配置為在~3-12μm范圍內運行。其高電光系數和非吸濕性使CdTe非常適合此用途。憑借40多年的電光設備設計經驗，我們能夠為 IRX 普克爾盒提供孔徑范圍為3-10毫米的應用特定增透膜。

IRX 普克爾盒能夠解決超出由氧化物基晶體構成的傳統普克爾盒光譜范圍的應用。水冷設計采用降低環境光敏感度的封裝，以提高平均功率處理能力。可選擇正在申請專利的環保設計和高平均功率。

普克爾盒的應用

放大器、CO2激光器、激光融合、材料加工、醫療和美容激光系統、金屬退火、微加工、光開關、拍瓦激光器、再生放大器。