【仪器使用技巧】普克尔盒工作原理和调节技巧
摘要：众所皆知，具有非中心对称的非线性双折射晶体（或其他光学介质）被施加定向的电场后，其双折射光学性质会随着电场的调制发生变化。为铭记德国著名科学家Friedrich Pockel，这种折射率变化和电场成线性关系的电光效应被称作普克尔（Pockles）效应；施加了调制电压的非线性晶体器件一般被称作普克尔盒，且被广泛应用于电光调Q激光器和脉冲选择器中。普克尔盒中被广泛应用的非线性晶体包括KD*P, BBO,LiNbO3, KTP等。本文将从技术层面，基于调Q和脉冲选择两个功能，就此器件的应用属性做较为详细的介绍。
图一 电光调Q激光器
一、工作原理简介
（1）电光调Q
一台典型的电光调Q脉冲激光器（参照图一），其核心部件包括激光腔、电光调制系统、偏振片等。当普克尔盒在零电压情况下，由于腔内四分之一波片的存在，激光腔处于高损耗低Q值的状态；相反的，当施加外电压，脉冲往返经过普克尔盒，偏振发生90度翻转，此时激光腔处于低损耗高Q值的状态，可实现激光振荡。为达到预期的实验结果，此过程中，需要精确调节普克尔盒的姿态，保证激光的传播方向和晶体的光轴严格的平行，以达到偏振严格反转90度的效果。否则非但完不成调Q最佳效果，甚至会因输出能量降低，时间质量退化，从而造成光学元件的损伤。
图二 脉冲选择器
（2）脉冲选择
使用普克尔盒和格兰棱镜的组合，也可以实现脉冲重复频率调节或者指定脉冲的选择，具体原理参考图二。高重复频率的脉冲序列经过普克尔盒，通过控制普克尔盒电压信号的重复频率、时间延时和脉冲宽度，以确保电压的时间窗口落在需要的信号脉冲上。此过程中，需保证仅此脉冲的偏振方向发生变化，而其它的脉冲偏振不发生改变，使用格兰棱镜等偏振选择器件可将所需要的脉冲准确的选择出来。
二、安全操作
（1）人身安全
强烈建议调光过程中佩戴激光防护镜。尤其是在偏振片调节进行中，反射光束可能会沿竖直方向反射。就安全性讲，此操作中应尽量设置光束向下方反射。于此同时，使用安全挡光板亦可避免潜在的眼损伤。
（2）高压安全
尽量避免带电操作普克尔盒；
正常运行过程中，需要盖上顶盖，防止误碰高压电路。
三、普克尔盒调节技巧
（1）发散光束在双折射晶体中的传播
基于双折射晶体的各向异性特点，发散光束在其中传播时所经历的相位变化具有角对称的特性，若在其后放置一个偏振片，在多角度上会形成干涉条纹。此过程中，尤需注意两个特殊方向，晶体的o轴和e轴，这两个方向上传播的光束偏振不发生改变，最终光斑的分布为典型的Isogyre形状。普克尔调节的核心技巧就是产生一个发散光束，然后以透过光斑的的相对位置或者对称性分布为参考，以此衡量是否调节得当。
图三 两种典型的Isogyre形状
无正交偏振片的分布（左） 正交偏振片后方分布（右）
（2）调Q激光器中的普克尔盒调节
如图一所示，在安装或者优化调Q激光器中普克尔盒的时候：
首先保证光束尽量通过普克尔盒的中心，避免切光。
其次，使用一台He-Ne激光器或LD光源通过一张镜头纸得到一个发散的光束。
在普克尔盒后方放置一个和腔内偏振片正交的选偏器件。将一张卡片置于普克尔盒的后方，若不通过正交偏振片直接观测，图三中左图亦可作为判断依据。调节普克尔盒的两个旋钮（Pitch和Yaw）使其直接透过光在十字叉线的正中心。如果在正交偏振片的后方观测，则图三中的右图作为判断依据，同样的，调节Pitch和Yaw旋钮，使得正交的整个图样尽量对称，十字叉线呈对称分布。
调节完成普克尔的姿态后，切记将外加的激光光源移除或遮挡，然后取出外加的镜头纸和偏振片。
激光器运行以后，可进一步调节普克尔盒的姿态，以保证调Q电压零施加状态下，腔内无激光产生。
可通过调节普克尔盒的电压和时间延时来优化输出激光能量和脉冲形状。
（3）脉冲选择器中的普克尔盒调节
脉冲选择器中的普克尔盒姿态调节方法和上述方法完全一致，可使用实际工作激光器，无需借助外在光源。因已具备两片正交偏振元件，所以只需外加一片镜头纸即可。
安装普克尔盒前，将两片偏振片调节实现完全正交。
严格按照上述步骤操作，即可完美呈现普克尔盒的姿态。
检查调节效果：在普克尔盒不加电压的情况下，观察第二片偏振片后方的激光能量参数，此时应处于最微弱状态。
四、参考文献
Thibault Dartigalongue and François 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 公司产品手册
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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