포켈스 효과

섬네일|254x254픽셀|빛의 편광을 변조하는 포켈스 셀의 개략도. 이 경우 포켈스 셀은 4분의 1 파장판 역할을 하여 선형 편광된 빛이 원편광된 빛으로 변환된다. 브루스터 창 (왼쪽)을 추가하면 이 편광 변화는 p-편광 벡터 성분만 투과함으로써 빔의 광도 변화로 변환될 수 있다.

광학에서 포켈스 효과 또는 포켈스 전기광학 효과는 전기장의 인가에 대한 반응으로 발생하는 광학 매질의 굴절률의 방향 의존적인 선형 변화이다. 이 효과는 1893년에 이 효과를 연구한 독일의 물리학자 프리드리히 카를 알빈 포켈스의 이름을 따서 명명되었다. 비선형 대응물인 커 효과는 인가된 전기장의 제곱에 비례하는 속도로 굴절률의 변화를 일으킨다. 광학 매질에서 포켈스 효과는 인가된 전기장의 강도에 비례하여 변하는 복굴절의 변화를 일으킨다.

포켈스 효과는 제일 인산 칼륨 (, 약칭 KDP), 중수소화 제일 인산 칼륨 (, 약칭 KD*P 또는 DKDP), 니오브산 리튬 (), 베타-바륨 보레이트 (BBO), 티탄산 바륨 (BTO) 및 전기장 폴링된 고분자 또는 유리와 같은 다른 비중심대칭 매질과 같이 대칭 중심이 없는 결정에서 발생한다. 포켈스 효과는 KDP와 같은 재료의 전기광학적 특성에 대한 광범위한 연구를 통해 밝혀졌다.

포켈스 셀
포켈스 셀의 핵심 구성 요소는 굴절률이 외부 전기장에 의해 제어되는 광축을 가진 비중심대칭 단결정이다. 즉, 포켈스 효과는 포켈스 셀 작동의 기본이다. 굴절률을 제어함으로써 결정의 광학 지연이 변경되어 입사광 빔의 편광 상태가 변경된다. 따라서 포켈스 셀은 전압 제어 파장판 및 기타 광자 응용 분야에 사용된다. 용도는 아래 응용을 참조하라. 포켈스 셀은 결정의 전기광학적 특성에 따라 종방향 및 횡방향의 두 가지 구성으로 나뉜다.

종방향 포켈스 셀은 결정 광축 또는 입사 빔 전파를 따라 인가되는 전기장을 사용하여 작동한다. 이러한 결정에는 KDP, KD*P 및 ADP가 포함된다. 전극은 빔이 통과하는 결정면에 투명 금속 산화물 막으로 코팅되거나 결정체 주위에 코팅된 금속 링 (보통 금으로 만들어짐)으로 코팅된다. 전압 인가를 위한 단자는 전극과 접촉한다. 종방향 포켈스 셀의 광학 지연 Δφ는 일반 굴절률 no, 전기광학 상수 r63 (m/V 단위) 및 인가 전압 V에 비례하고 입사 빔 파장 λ0에 반비례한다. 예를 들어, KDP 결정의 반파장 전압은 no = 1.51, r63 = (λ0에서) 및 Δφ = π일 때 약 7.6kV이다. 종방향 포켈스 셀을 사용하는 장점은 4분의 1 파장 또는 반파장 지연에 필요한 전압이 결정 길이 또는 직경에 의존하지 않는다는 것이다.

횡형 포켈스 셀은 빔 전파에 수직으로 인가되는 전기장으로 작동한다. 횡형 포켈스 셀에 사용되는 결정에는 BBO, LiNbO3, CdTe, ZnSe, CdSe 등이 있다.
결정의 긴 측면은 전극으로 코팅된다. 횡형 포켈스 셀의 광학 지연 Δφ는 종형 포켈스 셀과 유사하지만, 결정의 크기에 따라 달라진다. 4분의 1파장 또는 2분의 1파장 전압 요구 사항은 결정 개구부 크기에 따라 증가하지만, 결정의 길이를 늘려 요구 사항을 줄일 수 있다.

두 개 이상의 결정이 횡형 포켈스 셀에 통합될 수 있다. 한 가지 이유는 포켈스 셀의 전체 길이를 연장하여 전압 요구 사항을 줄이기 위함이다. 다른 이유는 KDP가 이축성이며 종형 구성에는 r63, 횡형 구성에는 r41의 두 가지 전기광학 상수를 가지고 있기 때문이다. KDP(또는 그 동형체 중 하나)를 사용하는 횡형 포켈스 셀은 전압이 꺼져 있을 때 제로차 파장판을 형성하는 반대 방향의 두 결정으로 구성된다. 이는 종종 완벽하지 않으며 온도에 따라 변화한다. 그러나 결정 축의 기계적 정렬은 그다지 중요하지 않으며 나사 없이 손으로 하는 경우가 많다. 정렬 불량은 잘못된 광선(예: e 또는 o 가로 또는 세로)에 일부 에너지를 유발하지만, 종형의 경우와 달리 손실이 결정의 길이에 걸쳐 증폭되지 않는다.

구성 방식에 관계없이 결정 축과 광선 축의 정렬은 중요하다. 정렬 불량은 복굴절을 유발하고 긴 결정 전체에 큰 위상 변화를 일으킨다. 이는 정렬이 편광에 정확히 평행하거나 수직이 아닐 경우 편광 회전을 유발한다.

 셀 내의 동역학 
결정 내부의 높은 상대 유전 상수 εr ≈ 36으로 인해 전기장의 변화는 c/6의 속도로만 전파된다. 따라서 빠른 비광섬유 셀은 일치하는 전송선에 내장된다. 이를 전송선 끝에 놓으면 반사가 발생하고 스위칭 시간이 두 배가 된다. 드라이버의 신호는 결정의 양 끝으로 이어지는 병렬선으로 분할된다. 결정에서 만나면 전압이 합쳐진다.
광섬유용 포켈스 셀은 전류 요구 사항을 줄이고 속도를 높이기 위해 진행파 설계를 사용할 수 있다.

사용 가능한 결정은 어느 정도 압전 효과를 나타내기도 한다. (RTP ()가 가장 낮고, BBO와 나이오브산 리튬이 가장 높다). 전압이 변한 후 음파가 결정의 측면에서 중앙으로 전파되기 시작한다. 이는 펄스 선택기에는 중요하지 않지만, 박스카 윈도우에는 중요하다. 긴 유지 시간을 위해서는 빛과 결정 면 사이의 보호 공간이 더 커야 한다.
음파 뒤에서 결정은 높은 전기장의 평형 위치에서 변형된 상태로 유지된다.
이는 편광을 증가시킨다. 편광된 부피가 증가함에 따라 파면 앞의 결정 내 전기장은 선형적으로 증가하거나 드라이버는 일정한 전류 누설을 제공해야 한다.

 드라이버 전자 장치 
포켈스 셀은 설계상 축전기이며, 레이저 빔의 편광 상태를 변경하여 스위치 가능한 파장판으로 효과적으로 작동하려면 종종 고전압이 필요하다. 필요한 전압은 포켈스 셀의 유형, 빛의 파장, 결정의 크기에 따라 다르지만, 일반적으로 전압 범위는 1~10 kV 정도이다. 포켈스 셀 드라이버는 일반적으로 10 나노초 미만의 상승 시간을 갖는 매우 빠른 펄스 형태로 이 고전압을 제공한다.

기본적으로 두 가지 유형의 드라이버가 있다. 빠른 상승 시간을 가진 후 천천히 감쇠하는 퀵 또는 Q 드라이브. Q-드라이브를 사용하는 포켈스 셀은 때때로 Q-스위치라고도 한다. 다른 유형의 드라이버는 재생 또는 R 드라이브라고 한다. R 드라이브는 빠른 상승 시간과 빠른 하강 시간을 갖는다. 드라이버의 출력 펄스 폭은 응용 분야에 따라 나노초에서 마이크로초까지 다양할 수 있다. 드라이브 유형과 반복률은 레이저와 의도된 응용 분야에 따라 달라진다.

 응용 분야 
포켈스 셀은 다양한 과학 및 기술 응용 분야에서 사용된다. 포켈스 셀은 편광자와 결합되어 초기 편광 상태와 반파 위상 지연 사이를 전환하는 데 사용될 수 있으며, 나노초 내에 "열고" "닫을" 수 있는 빠른 셔터를 만든다. 동일한 기술을 사용하여 0°와 90° 사이의 회전을 변조하여 빔에 정보를 각인할 수 있다. 편광자를 통해 볼 때 나가는 빔의 세기는 진폭 변조된 신호를 포함한다. 이 변조된 신호는 결정이 미지의 전기장에 노출될 때 시간 분해 전기장 측정에 사용될 수 있다.

포켈스 셀은 짧고 고강도 레이저 펄스를 생성하기 위한 Q-스위치로 사용된다. 포켈스 셀은 레이저 공동에 편광 의존적인 손실을 도입하여 광학 증폭을 방지한다. 이를 통해 이득 매질이 높은 밀도 반전을 가질 수 있다. 활성 레이저 매질이 원하는 밀도 반전을 가질 때 포켈스 셀이 "열리고", 짧고 고에너지의 레이저 펄스가 생성된다. Q-스위칭 레이저는 의료 미학, 계측, 제조 및 홀로그래피와 같은 다양한 응용 분야에서 사용된다.

펄스 선택은 포켈스 셀을 사용하는 또 다른 응용 분야이다. 펄스 선택기는 일반적으로 발진기, 전기광학 변조기, 증폭기, 고전압 드라이버 및 포켈스 셀과 함께 주파수 배가 변조기로 구성된다. 포켈스 셀은 동기화된 전기광학 스위칭을 통해 레이저 유도 묶음에서 펄스를 선택하고 나머지를 차단할 수 있다.

포켈스 셀은 재생 증폭기, 처프 펄스 증폭, 그리고 공동 덤핑에서도 사용되어 레이저와 광학 증폭기로 광학 전력을 들고 나게 한다.

포켈스 셀은 광자를 편광시켜 양자 키 분배에 사용될 수 있다.

다른 EO 요소와 결합된 포켈스 셀은 전기광학 프로브를 형성하는 데 사용될 수 있다.

포켈스 셀은 이광자 현미경에서 마이크로초 단위로 전달되는 레이저 강도를 조절하는 데 사용된다.

최근 몇 년 동안 포켈스 셀은 로렌스 리버모어 국립연구소에 위치한 국립점화시설에서 사용되고 있다. 192개 레이저 중 하나에 사용되는 각 포켈스 셀은 증폭기를 통해 나가기 전 광학 트랩 역할을 한다. 192개 레이저의 모든 빔은 결국 중수소-삼중수소 연료의 단일 목표물에 수렴하여 핵융합 반응을 유발하기를 희망한다.

 같이 보기 
 전기광학 변조기
 음향광학 변조기
 커 효과

 각주 

 외부 링크 
 

분류:비선형 광학
분류:양자정보과학
분류:편광