普克尔斯效应是一种线性电光效应，其中介质的折射率相对于施加的电信号或电压而改变。这种效应是由德国物理学家弗里德里希-波克尔斯在1893年发现的。它只发生在非中心对称的晶体中，即具有反转对称性的晶体。铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂、磷酸二氢钾（KDP）等是此类材料的例子。这些依靠普克尔斯效应工作的晶体被称为普克尔斯盒。它们是透明的，具有很高的电光系数，这意味着它们在电场存在的情况下表现出折射率的巨大变化。

图1：普克尔斯效应

在普克尔斯盒上施加一个电压，使通过晶体的平面极化光分裂成两个垂直的矢量。这些矢量之间的相位差或偏振幅度与电场的强度成正比。输出激光束的强度调制是由交叉偏振器来分析的。

折射率的变化与电场强度的平方和晶体的电光系数成正比。电光系数是一种材料属性，描述了折射率在电场作用下的变化程度。

普克尔斯盒

普克尔斯盒是使用电场来调节光的偏振状态的光学装置。它们是电压控制的波板。普克尔斯盒基于普克尔斯效应而运作。普克尔斯盒由一个夹在两个电极之间的电光材料制成的晶体组成。它们可被用来旋转通过它的光束的偏振。普克尔斯盒通常用于各种应用，包括电信、光学开关和激光技术。

普克尔斯盒的工作原理

图2：普克尔斯盒的工作原理

当电场或电压被施加到普克尔斯盒时，晶体的折射率会发生变化。折射率的这种变化导致通过晶体的光的偏振发生变化。输入光束的偏振应与晶体的一个光轴对齐。普克尔斯盒改变了入射光束的偏振状态，然后转化为透射光功率和振幅的变化。偏振变化的程度与电场的强度成正比。

用于Q开关的普克尔斯盒

普克尔斯盒可用于Q开关，这是一种产生短而高能量的激光脉冲的技术。在Q开关中，激光器首先被泵送到一个高能状态，然后激光输出被一个快门或一个普克尔斯盒阻断。当快门或普克尔斯盒被打开时，储存的能量以短的高能量脉冲的形式释放出来。

图3： 使用Pockels电池的Q开关

在切换之前，在其第一次通过电池时，光转变为圆形偏振。在下一次通过时，光线变成水平偏振，然后被偏振器拒绝。切换后，光线不受普克尔斯盒的影响，因此被偏振器通过。

普克尔斯盒的应用

普克尔斯盒在科学和技术方面有应用。当与偏振器结合时，普克尔斯盒可以达到各种目的。在无光学旋转和90˚旋转之间的切换创造了一个更快的快门，能够在纳秒级 "打开 "和 "关闭"。

它们被用于电信业，特别是光纤通信系统中，以调制光的偏振，然后用于传输信息。普克尔斯盒还可用于激光技术，控制激光的偏振，这在激光加工和激光光谱学等应用中非常重要。

普克尔斯盒在Q开关、啁啾脉冲放大和空腔倾倒中找到了应用。用普克尔斯盒对光子进行偏振可以使它们用于量子密钥分配。此外，普克尔斯盒可以与其他电光元件相结合，以创建电光探针。

它们还被用于光学领域的许多应用，包括电光调制器、光开关和光移相器。