تأثير بوكلز

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
رسم تخطيطي لخلية بوكلز التي تُعدّل استقطاب الضوء. في هذه الحالة، تعمل خلية بوكلز كصفيحة ربع موجة، حيث يُحوّل الضوء المستقطب خطيًا إلى ضوء مستقطب دائريًا . بإضافة نافذة بروستر (يسارًا)، يُمكن تحويل هذا التغيير في الاستقطاب إلى تغيير في شدة الشعاع، وذلك بنقل مُركّبة المتجه المستقطبة p فقط.

في علم البصريات ، يُعرف تأثير بوكلز ، أو تأثير بوكلز الكهروضوئي ، بأنه تغير خطي في معامل انكسار الوسط البصري، يعتمد على اتجاه المجال الكهربائي ، ويحدث استجابةً لتطبيق مجال كهربائي . سُمي هذا التأثير نسبةً إلى الفيزيائي الألماني فريدريش كارل ألوين بوكلز ، الذي درسه عام 1893. [ 1 ] [ 2 ] أما نظيره غير الخطي، وهو تأثير كير ، فيُحدث تغيرات في معامل الانكسار بمعدل يتناسب مع مربع شدة المجال الكهربائي المُطبق. في الأوساط البصرية، يُحدث تأثير بوكلز تغيرات في الانكسار المزدوج تتناسب مع شدة المجال الكهربائي المُطبق.

تحدث ظاهرة بوكلز في البلورات التي تفتقر إلى تناظر الانعكاس ، مثل فوسفات أحادي البوتاسيوم ( KH₂PO₄ ، اختصارًا KDP )، وفوسفات ثنائي ديوتيريوم البوتاسيوم ( KD₂PO₄ ، اختصارًا KD*P أو DKDP)، ونيوبات الليثيوم ( LiNbO₃ )، وبورات بيتا الباريوم (BBO)، وتيتانات الباريوم (BTO)، وفي أوساط أخرى غير متناظرة مركزيًا مثل البوليمرات أو الزجاج المستقطب بالمجال الكهربائي. وقد تم توضيح ظاهرة بوكلز من خلال دراسة مستفيضة للخصائص الكهروضوئية في مواد مثل KDP. [ 3 ]

خلايا بوكلز

المكون الرئيسي لخلية بوكلز هو بلورة أحادية غير متناظرة مركزياً، ذات محور بصري يُتحكم في معامل انكساره بواسطة مجال كهربائي خارجي. بعبارة أخرى، يُعد تأثير بوكلز أساس عمل خلايا بوكلز. من خلال التحكم في معامل الانكسار، يتغير التباطؤ البصري للبلورة، وبالتالي تتغير حالة استقطاب شعاع الضوء الساقط. لذلك، تُستخدم خلايا بوكلز كصفائح موجية يتم التحكم فيها بالجهد ، بالإضافة إلى تطبيقات أخرى في مجال الفوتونيات. انظر التطبيقات أدناه للاطلاع على الاستخدامات. تُقسم خلايا بوكلز إلى نوعين حسب الخصائص الكهروضوئية للبلورات: الطولية والعرضية.

تعمل خلايا بوكلز الطولية بتطبيق مجال كهربائي على طول المحور البصري للبلورة أو على طول مسار انتشار الشعاع الساقط. تشمل هذه البلورات KDP وKD*P وADP. تُغطى الأقطاب الكهربائية بأغشية شفافة من أكسيد المعدن على أسطح البلورة حيث ينتشر الشعاع، أو بحلقات معدنية (مصنوعة عادةً من الذهب) تُغطى بها جسم البلورة. تتصل أطراف تطبيق الجهد بالأقطاب الكهربائية. يتناسب التباطؤ البصري Δφ لخلايا بوكلز الطولية طرديًا مع معامل الانكسار العادي n₀ ، والثابت الكهروضوئي r₆₃ (بوحدة م/فولت)، والجهد المطبق V ، ويتناسب عكسيًا مع طول موجة الشعاع الساقط λ₀ . على سبيل المثال، يبلغ جهد نصف الموجة حوالي 7.6 كيلو فولت لبلورة KDP ذات n₀ = 1.51 و r₆₃ =10.6 × 10 −12  م/فولت عند λ 0 ، و Δφ = π. [ 4 ] تتمثل ميزة استخدام خلايا بوكلز الطولية في أن متطلبات الجهد لتأخير ربع الموجة أو نصف الموجة لا تعتمد على طول البلورة أو قطرها.

تعمل خلايا بوكلز المستعرضة بتطبيق مجال كهربائي عمودي على مسار انتشار الشعاع. تشمل البلورات المستخدمة في هذه الخلايا BBO وLiNbO₃ و CdTe و ZnSe و CdSe . [ 5 ] تُغطى الجوانب الطويلة للبلورة بأقطاب كهربائية. يُشابه التباطؤ البصري Δφ في خلايا بوكلز المستعرضة نظيره في خلايا بوكلز الطولية، ولكنه يعتمد على أبعاد البلورة. تزداد متطلبات جهد ربع الموجة أو نصف الموجة مع زيادة حجم فتحة البلورة، ولكن يمكن تقليل هذه المتطلبات بزيادة طول البلورة.

يمكن دمج بلورتين أو أكثر في خلية بوكلز عرضية. أحد الأسباب هو تقليل الجهد المطلوب عن طريق زيادة الطول الإجمالي للخلية. سبب آخر هو أن بلورة KDP ثنائية المحور ولها ثابتان كهروضوئيان، r = 63 للتكوين الطولي و r = 41 للتكوين العرضي. تتكون خلية بوكلز العرضية التي تستخدم بلورة KDP (أو أحد نظائرها) من بلورتين في اتجاهين متعاكسين، تُشكلان معًا صفيحة موجية من الرتبة الصفرية عند إيقاف الجهد. غالبًا ما يكون هذا غير مثالي ويتأثر بدرجة الحرارة. لكن المحاذاة الميكانيكية لمحور البلورة ليست بالغة الأهمية، وغالبًا ما تتم يدويًا دون استخدام براغي. في حين أن عدم المحاذاة يؤدي إلى فقدان بعض الطاقة في الشعاع الخاطئ (إما e أو o - على سبيل المثال، أفقي أو رأسي)، على عكس الحالة الطولية، لا يتضخم الفقد عبر طول البلورة. 

يُعدّ محاذاة محور البلورة مع محور الشعاع أمرًا بالغ الأهمية، بغض النظر عن التكوين. يؤدي عدم المحاذاة إلى انكسار مزدوج وانزياح طوري كبير عبر البلورة الطويلة. وهذا بدوره يؤدي إلى دوران الاستقطاب إذا لم تكن المحاذاة موازية أو عمودية تمامًا على الاستقطاب.

الديناميكيات داخل الخلية

بسبب ثابت العزل النسبي العالي (εr ≈ 36) داخل البلورة، تنتشر التغيرات في المجال الكهربائي بسرعة c /6 فقط. ولذلك، تُدمج الخلايا غير الليفية الضوئية السريعة في خط نقل متطابق. يؤدي وضعها في نهاية خط النقل إلى انعكاسات ومضاعفة زمن التبديل. تُقسّم الإشارة من المُشغّل إلى خطوط متوازية تؤدي إلى طرفي البلورة. وعندما تلتقي هذه الخطوط داخل البلورة، تتجمع جهودها. قد تستخدم خلايا بوكلز للألياف الضوئية تصميم الموجة المتنقلة لتقليل متطلبات التيار وزيادة السرعة.

تُظهر البلورات القابلة للاستخدام أيضًا التأثير الكهروإجهادي بدرجة ما [ 6 ] ( يُعدّ RTP ( RbTiOPO4 ) الأقل تأثيرًا، بينما يُعدّ كل من BBO ونيوبات الليثيوم الأعلى تأثيرًا). بعد تغيير الجهد، تبدأ الموجات الصوتية بالانتشار من جوانب البلورة إلى مركزها. هذا الأمر مهم ليس لأجهزة انتقاء النبضات ، بل لنوافذ عربات الشحن . يجب أن تكون المسافة الفاصلة بين الضوء وأسطح البلورات أكبر لزيادة مدة التثبيت. خلف الموجة الصوتية، تبقى البلورة مشوهة في وضع التوازن للمجال الكهربائي العالي، مما يزيد من الاستقطاب. نتيجةً لتزايد حجم الاستقطاب، يزداد المجال الكهربائي في البلورة أمام الموجة خطيًا، أو يجب على المُشغّل توفير تسريب تيار ثابت.

إلكترونيات السائق

تُعدّ خلية بوكلز، بحكم تصميمها، مكثفًا ، وغالبًا ما تتطلب جهدًا عاليًا لتغيير حالة استقطاب شعاع الليزر لكي تعمل بكفاءة كلوحة موجية قابلة للتبديل. يعتمد الجهد المطلوب على نوع خلية بوكلز، وطول موجة الضوء، وحجم البلورة؛ ولكن عادةً ما يتراوح الجهد بين 1 و10 كيلو فولت. توفر مشغلات خلية بوكلز هذا الجهد العالي على شكل نبضات سريعة جدًا، والتي عادةً ما يكون زمن صعودها أقل من 10 نانوثانية.

يوجد نوعان أساسيان من المحركات: محرك سريع (Q) يتميز بزمن صعود سريع ثم انخفاض تدريجي. تُعرف خلية بوكلز التي تستخدم محرك Q أحيانًا باسم مفتاح Q. أما النوع الآخر فيُعرف باسم محرك تجديدي (R). يتميز هذا النوع بزمن صعود وهبوط سريعين. يتراوح عرض نبضة خرج المحرك من النانوثانية إلى الميكروثانية، وذلك حسب التطبيق. يعتمد نوع المحرك ومعدل تكراره على الليزر والتطبيق المقصود.

التطبيقات

تُستخدم خلايا بوكلز في تطبيقات علمية وتقنية متنوعة. يمكن استخدام خلية بوكلز، مع مستقطب، للتبديل بين حالة الاستقطاب الأولية وتأخير الطور بنصف الموجة، مما يُنشئ مصراعًا سريعًا قادرًا على "الفتح" و"الإغلاق" في أجزاء من النانوثانية . يمكن استخدام التقنية نفسها لطباعة معلومات على الشعاع عن طريق تعديل الدوران بين 0° و90°؛ إذ تحتوي شدة الشعاع الخارج ، عند النظر إليه من خلال المستقطب، على إشارة مُعدَّلة السعة . يمكن استخدام هذه الإشارة المُعدَّلة لقياسات المجال الكهربائي المُحَلَّلة زمنيًا عند تعريض بلورة لمجال كهربائي غير معروف. [ 7 ] [ 8 ]

تُستخدم خلايا بوكلز كمفتاح Q لتوليد نبضات ليزر قصيرة وعالية الكثافة. تمنع خلية بوكلز التضخيم البصري عن طريق إحداث فقد يعتمد على الاستقطاب في تجويف الليزر، مما يسمح لوسط التضخيم بتحقيق انعكاس عالٍ في التوزيع السكاني . عندما يحقق وسط التضخيم الانعكاس السكاني المطلوب ، تُفتح خلية بوكلز، فتتولد نبضة ليزر قصيرة وعالية الطاقة. تُستخدم ليزرات مفتاح Q في تطبيقات متنوعة، مثل التجميل الطبي، وعلم القياس، والتصنيع، والتصوير المجسم.

يُعدّ انتقاء النبضات تطبيقًا آخر يستخدم خلية بوكلز. يتألف جهاز انتقاء النبضات عادةً من مذبذب، ومعدِّل كهروضوئي، ومضخمات، ومحرك جهد عالٍ، ومعدِّل مضاعفة التردد، بالإضافة إلى خلية بوكلز. [ 9 ] تستطيع خلية بوكلز التقاط نبضة واحدة من حزمة نبضات مُستحثة بالليزر، مع حجب باقي النبضات عن طريق التبديل الكهروضوئي المتزامن.

تُستخدم خلايا بوكلز أيضًا في المضخمات التجديدية ، وتضخيم النبضات المتغيرة التردد ، وتفريغ التجويف للسماح بدخول وخروج الطاقة الضوئية من الليزر والمضخمات الضوئية. [ 10 ]

يمكن استخدام خلايا بوكلز لتوزيع المفاتيح الكمومية عن طريق استقطاب الفوتونات .

يمكن دمج خلايا بوكلز مع عناصر كهروضوئية أخرى لتشكيل مجسات كهروضوئية.

تُستخدم خلايا بوكلز في المجهر ثنائي الفوتون لضبط شدة الليزر المنقول على نطاق زمني بالميكروثانية. [ 11 ]

في السنوات الأخيرة، استُخدمت خلايا بوكلز في المرفق الوطني للإشعال التابع لمختبر لورانس ليفرمور الوطني . تعمل كل خلية بوكلز، ضمن أحد الليزرات الـ 192، كمصيدة ضوئية قبل خروجها عبر مُضخِّم. تتقارب حزم الليزرات الـ 192 في النهاية على هدف واحد من وقود الديوتيريوم-التريتيوم، على أمل إحداث تفاعل اندماج نووي. [ 12 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ^ بوكلز، ف. (1894). Ueber den Einfluss of Electrostatischen Fields auf the Optische Verhalten Piezoelektrischer Krystalle . Abhandlungen der königlichen Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen (باللغة الألمانية). المجلد.  39. غوتنغن: ديتريش. او سي ال سي 55796322 . 
  2. ^ بوكلز، ف. (1906). ليهربوش دير كريستالوبتيك . BG Teubners Sammlung von Lehrbüchern auf dem Gebiete der mathematischen Wissenschaften mit einschluss ihrer Anwendungen (بالألمانية). المجلد. 19. لايبزيغ: بي جي تيوبنر. بيب كود : 1906lekr.book .....P . أو سي إل سي 864091434 .  
  3. ↑ "الخواص الكهروضوئية لـ KH2PO4 ونظائره" (ملف PDF) . ورقة معلومات . شركة كليفلاند كريستالز، 1976.
  4. ↑ هيشت، يوجين (2002). البصريات ( الطبعة الرابعة). أديسون ويسلي. ISBN  0-8053-8566-5.
  5. ↑ "خصائص بلورات II-VI" (ملف PDF) . ورقة معلومات . شركة كليفلاند كريستالز، 1984.
  6. ↑ فالاسيك، ج. (1922). "خصائص ملح روشيل المتعلقة بالتأثير الكهروإجهادي". مجلة Physical Review . 20 (6): 639. Bibcode : 1922PhRv...20..639V . doi : 10.1103/PhysRev.20.639 .
  7. ↑ كونسولي، ف.؛ دي أنجيليس، ر.؛ دوفيلاريه، ل.؛ أندريولي، ب.ل.؛ سيبرياني، م.؛ كريستوفاري، ج.؛ دي جورجيو، ج.؛ إنجينيتو، ف.؛ فيرونا، س. (15 يونيو 2016). "قياسات مطلقة مُحَلَّلة زمنيًا بواسطة التأثير الكهروضوئي للنبضات الكهرومغناطيسية العملاقة الناتجة عن تفاعل الليزر مع البلازما في نطاق النانوثانية" . التقارير العلمية . 6 (1) 27889. Bibcode : 2016NatSR...627889C . doi : 10.1038/srep27889 . PMC 4908660. PMID 27301704 .  
  8. ↑ روبنسون، تي إس؛ كونسولي، إف؛ جيلتراب، إس؛ إيردلي، إس جيه؛ هيكس، جي إس؛ ديتر، إي جيه؛ إيتلينجر، أو؛ ستيوارت، إن إتش؛ نوتلي، إم؛ دي أنجيليس، آر؛ نجم الدين، زد؛ سميث، آر إيه (20 أبريل 2017). "الاستشعار البصري منخفض الضوضاء والمُحَلَّل زمنيًا للنبضات الكهرومغناطيسية الناتجة عن تفاعلات الليزر مع المادة بقدرة بيتاواط" . التقارير العلمية . 7 (1): 983. Bibcode : 2017NatSR...7..983R . doi : 10.1038/s41598-017-01063-1 . PMC 5430545. PMID 28428549 .  
  9. ↑ تشاو، تشي (2020). "تقنية انتقاء نبضات الليزر فائقة السرعة لحاقنات ضوئية عالية التيار وعالي السطوع" . مجلة الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء، القسم أ: المسرعات، المطيافات، الكواشف والمعدات المرتبطة بها . 959 163586. إلسيفير. رمز Bibcode : 2020NIMPA.95963586Z . doi : 10.1016/j.nima.2020.163586 . S2CID 213227045 . 
  10. ^ بيشون، بيير. طالب، حسين؛ درون، فريديريك؛ بلانشوت، جان فيليب؛ جورج، باتريك؛ بالمبوا، فرانسوا (5 أغسطس 2019). "مصدر للأشعة فوق البنفسجية قابل للضبط يعتمد على ليزر Cr:LiSAF مملوء بتجويف LED" . البصريات اكسبريس . 27 (16): 23446– 23453. بيب كود : 2019OExpr..2723446P . دوى : 10.1364/OE.27.023446 . ردمك 1094-4087 . بميد 31510620 . S2CID 201256144 .   
  11. ↑ "معدِّل كهروضوئي من طراز Conoptics 350-80LA" . الصفحة الرئيسية لشركة Conoptics . تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 أغسطس 2024 .
  12. ↑ "كيف يعمل جهاز NIF" . lasers.llnl.gov . تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 أبريل 2023 .