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(guò)它傳播。晶體中的相位延遲（→ 普克爾斯效應(yīng)）可以通過(guò)施加可變電壓來(lái)調(diào)制。因此，普克爾盒充當(dāng)電壓控制波片。普克爾盒是電光調(diào)制器的基本組件，例如用于調(diào)Q激光器。

它的原理就是克爾電光效應(yīng)，即放在電場(chǎng)中的晶體，由于其分子受到電力的作用而發(fā)生取向（偏轉(zhuǎn)），呈現(xiàn)各向異性，結(jié)果產(chǎn)生雙折射，即沿兩個(gè)不同方向物質(zhì)對(duì)光的折射能力有所不同。

普克爾盒一般用來(lái)做電光調(diào)制器，電光調(diào)制器是一套系統(tǒng)，需要普克爾盒加上驅(qū)動(dòng)電源，根據(jù)參數(shù)需求不同可選擇不同的調(diào)制類(lèi)型和調(diào)制頻率。一般對(duì)光有3種調(diào)制：強(qiáng)度調(diào)制，偏振態(tài)調(diào)制和相位調(diào)制。

幾何形狀和材料

關(guān)于外加電場(chǎng)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(chǎng)，光束穿過(guò)電極中的孔。大光圈很容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗璧尿?qū)動(dòng)電壓基本上與光圈無(wú)關(guān)。電極可以是金屬環(huán)（左）或帶有金屬觸點(diǎn)的端面（右）透明層。

具有縱向電場(chǎng)的普克爾盒。電極在端面（左側(cè)）或外面（右側(cè)）上是環(huán)。

橫向裝置具有垂直于光束的電場(chǎng)。該場(chǎng)通過(guò)晶體側(cè)面的電極施加。對(duì)于小孔徑，它們可以具有較低的開(kāi)關(guān)電壓。

具有橫向電場(chǎng)的普克爾盒。左側(cè)是體調(diào)制器，右側(cè)是波導(dǎo)調(diào)制器。

普克爾盒常見(jiàn)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(kāi)關(guān)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(diào)Q的固態(tài)激光器。

半波電壓

普克爾盒的一個(gè)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(dāng)于半個(gè)光波長(zhǎng)。在調(diào)幅器中，施加的電壓必須改變這個(gè)值，以便從傳輸最小的操作點(diǎn)到傳輸最大的操作點(diǎn)。

具有橫向電場(chǎng)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(chǎng)的區(qū)域的長(zhǎng)度。對(duì)于更大的開(kāi)孔，電極間距需要更大，因此電壓也需要更大。

對(duì)于具有縱向電場(chǎng)的普克爾盒，晶體長(zhǎng)度無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)槔巛^短的長(zhǎng)度也會(huì)增加給定電壓的電場(chǎng)強(qiáng)度。在不增加半波電壓的情況下可以實(shí)現(xiàn)更大的孔徑。

典型的普克爾盒具有數(shù)百甚至數(shù)千伏的半波電壓，因此大調(diào)制深度需要高壓放大器。對(duì)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(diào)制器，相對(duì)較小的半波電壓是可能的，但此類(lèi)器件的功率處理能力有限。

使用普克爾盒進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的示例

例如，考慮一個(gè)基于普克爾盒的簡(jiǎn)單強(qiáng)度調(diào)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(shè)晶體在沒(méi)有外加電場(chǎng)的情況下沒(méi)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(gè)偏振器，它被對(duì)齊，這樣我們就可以在沒(méi)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(fā)射場(chǎng)視為兩個(gè)強(qiáng)度相同的同相場(chǎng)分量的疊加。施加電場(chǎng)后，這些場(chǎng)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(jié)果：

如果偏振器被旋轉(zhuǎn)，使得我們?cè)诹汶妷合芦@得零透射，則公式包含 sin 而不是 cos。

計(jì)算表明，為了在0和100% 之間切換恒等調(diào)制器的傳輸，只需將施加的電壓修改一個(gè)半波電壓。通常，人們會(huì)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(diào)制帶寬

普克爾盒可能的調(diào)制帶寬可能非常高——許多兆赫，甚至可能是數(shù)千兆赫。它基本上僅受可以修改電光晶體中電場(chǎng)強(qiáng)度的速度的限制。因此，它基本上受到所使用的普克爾盒驅(qū)動(dòng)器電子設(shè)備的限制，并且可能受到驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器更難以實(shí)現(xiàn)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(fā)揮作用，并且這也可能受到例如關(guān)于開(kāi)孔的要求的影響。

G&H普克爾盒

G&H是一家領(lǐng)先的晶體生產(chǎn)商，擁有數(shù)十年的電光器件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。生產(chǎn)各種普克爾盒，適用于從紫外線到紅外線波長(zhǎng)的應(yīng)用。平均功率、重復(fù)率和設(shè)計(jì)配置等因素決定了推薦的設(shè)備類(lèi)型。

利用專(zhuān)有的晶體生長(zhǎng)、制造和拋光技術(shù)，我們?cè)?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(yīng)（也稱為線性電光效應(yīng)）起作用。

普克爾盒有兩種電氣配置；橫向和縱向。

橫向細(xì)胞在垂直于光束的電場(chǎng)下工作。由于光不通過(guò)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(shè)計(jì)。（鈮酸鋰、LightGate 和IRX系列普克爾盒。）

縱向細(xì)胞定向電場(chǎng)平行于光束。一些設(shè)計(jì)使用透明導(dǎo)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(guò)，甚至是導(dǎo)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(huì)從光束路徑中移除電極，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，不會(huì)降低性能。G&H 在其 KD*P Pockels 普克爾盒的產(chǎn)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(shè)備，G&H 提供行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) QX 系列、經(jīng)濟(jì)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)的KD*P普克爾盒被廣泛接受，G&H自1980年代以來(lái)一直制造并不斷改進(jìn)QX系列普克爾盒。發(fā)現(xiàn)QX系列普克爾盒在安裝后數(shù)十年仍能正常運(yùn)行的情況并不少見(jiàn)。

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(fù)率與適當(dāng)?shù)脑O(shè)備相匹配。

IMPACT系列

為了以1kHz或更低的重復(fù)率運(yùn)行，IMPACT系列的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使OEM能夠整合到醫(yī)療和美容激光系統(tǒng)等應(yīng)用中。它在高對(duì)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(shù)，但外形尺寸與QX系列相同。在重復(fù)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(shè)計(jì)用作光隔離器，通過(guò)阻止大型激光平臺(tái)（如拍瓦激光器和/或激光聚變程序）中的背反射來(lái)保護(hù)光束線。我們生產(chǎn)必要的晶體來(lái)制造這種非?？量痰膬?nèi)部應(yīng)用所需的設(shè)備。

BBO 普克爾盒

對(duì)于高平均功率和高重復(fù)率應(yīng)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(chǎng)幾何結(jié)構(gòu)以最小化驅(qū)動(dòng)電壓（對(duì)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(nèi)運(yùn)行，并且不會(huì)受到跟蹤退化的影響。我們從 1980年代開(kāi)始發(fā)展的BBO表現(xiàn)出低壓電響應(yīng)、良好的熱穩(wěn)定性和低吸收。由于 BBO 的壓電耦合系數(shù)低，LightGate 單元可在數(shù)百千赫茲的重復(fù)率下工作。

LightGate 系列 BBO 普克爾盒有多種配置，可滿足各種應(yīng)用。這些普克爾盒可用于再生放大器、高脈沖重復(fù)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(zhǎng)普克爾盒以及具有水冷孔的普克爾盒，以實(shí)現(xiàn)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(kāi)關(guān)最初設(shè)計(jì)用于滿足10.6μm的Q開(kāi)關(guān)CO2激光器市場(chǎng)，可配置為在~3-12μm范圍內(nèi)運(yùn)行。其高電光系數(shù)和非吸濕性使CdTe非常適合此用途。憑借40多年的電光設(shè)備設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們能夠?yàn)?IRX 普克爾盒提供孔徑范圍為3-10毫米的應(yīng)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(gòu)成的傳統(tǒng)普克爾盒光譜范圍的應(yīng)用。水冷設(shè)計(jì)采用降低環(huán)境光敏感度的封裝，以提高平均功率處理能力?？蛇x擇正在申請(qǐng)專(zhuān)利的環(huán)保設(shè)計(jì)和高平均功率。

普克爾盒的應(yīng)用

放大器、CO2激光器、激光融合、材料加工、醫(yī)療和美容激光系統(tǒng)、金屬退火、微加工、光開(kāi)關(guān)、拍瓦激光器、再生放大器。