Efecto electro-óptico

Un efecto electro-óptico es un cambio en las propiedades ópticas de un material en respuesta a un campo eléctrico que varía lentamente en comparación con la frecuencia de la luz. El término abarca una serie de fenómenos distintos, que se pueden subdividir en

• a) cambio de la absorción
  • Electroabsorción: cambio general de las constantes de absorción
  • Franz-Keldysh efecto: cambio en la absorción mostrado en algunos semiconductores a granel
  • Quantum-confined Efecto Stark: cambio en la absorción en algunos pozos cuánticos semiconductores
  • Efecto electrocromático: creación de una banda de absorción en algunas longitudes de onda, lo que da lugar a un cambio de color
• b) cambio del índice refractivo y la permitibilidad
  • Efecto de los talones (o efecto electro-óptico lineal): cambio en el índice refractivo linealmente proporcional al campo eléctrico. Sólo ciertos sólidos cristalinos muestran el efecto de los Pockels, ya que requiere falta de simetría de inversión
  • Efecto Kerr (o efecto electro-óptico cuadrático, efecto QEO): cambio en el índice refractivo proporcional al cuadrado del campo eléctrico. Todos los materiales muestran el efecto Kerr, con diferentes magnitudes, pero generalmente es mucho más débil que el efecto Pockels.
  • electro-giración: cambio en la actividad óptica.
  • Efecto electron refractivo o EIPM

En diciembre de 2015, se predijo teóricamente la existencia de otros dos efectos electroópticos de tipo (b), pero aún no se han observado experimentalmente.

Los cambios en la absorción pueden tener un fuerte efecto en el índice de refracción para longitudes de onda cercanas al borde de absorción, debido a la relación de Kramers-Kronig.

Usando una definición menos estricta del efecto electroóptico que permita también campos eléctricos que oscilan a frecuencias ópticas, también se podría incluir la absorción no lineal (la absorción depende de la intensidad de la luz) en la categoría a) y el efecto Kerr óptico (el índice de refracción depende sobre la intensidad de la luz) a la categoría b). Combinado con el fotoefecto y la fotoconductividad, el efecto electroóptico da lugar al efecto fotorrefractivo.

El término "electroóptico" a menudo se usa erróneamente como sinónimo de "optoelectrónico".

Aplicaciones

Moduladores electroópticos

Los moduladores electroópticos generalmente se construyen con cristales electroópticos que exhiben el efecto Pockels. El haz transmitido se modula en fase con la señal eléctrica aplicada al cristal. Los moduladores de amplitud se pueden construir colocando el cristal electroóptico entre dos polarizadores lineales o en una ruta de un interferómetro Mach-Zehnder. Además, los moduladores de amplitud se pueden construir desviando el haz hacia adentro y hacia afuera de una pequeña abertura, como una fibra. Este diseño puede ser de baja pérdida (<3 dB) e independiente de la polarización según la configuración del cristal.

Deflectores electroópticos

Los deflectores electroópticos utilizan prismas de cristales electroópticos. El índice de refracción cambia por el efecto Pockels, cambiando así la dirección de propagación del haz dentro del prisma. Los deflectores electro-ópticos tienen solo una pequeña cantidad de puntos resolubles, pero poseen un tiempo de respuesta rápido. Hay pocos modelos comerciales disponibles en este momento. Esto se debe a los deflectores acústico-ópticos de la competencia, la pequeña cantidad de puntos resolubles y el precio relativamente alto de los cristales electro-ópticos.

Sensores de campo electro-ópticos

El efecto Pockels electro-óptico en cristales no lineales (por ejemplo, KDP, BSO, K*DP) se puede utilizar para la detección de campos eléctricos a través de técnicas de modulación del estado de polarización. En este escenario, un campo eléctrico desconocido da como resultado la rotación de polarización de un rayo láser que se propaga a través del cristal electroóptico; mediante la inclusión de polarizadores para modular la intensidad de la luz incidente en un fotodiodo, se puede reconstruir una medición de campo eléctrico con resolución temporal a partir de la traza de voltaje obtenida. Dado que las señales obtenidas de vgcc, las sondas cristalinas son ópticas, son intrínsecamente resistentes a la captación de ruido eléctrico, por lo que se pueden utilizar para la medición de campos de bajo ruido incluso en áreas con altos niveles de ruido electromagnético en las proximidades de la sonda. Además, como la rotación de polarización debida al efecto Pockels escala linealmente con el campo eléctrico, se obtienen medidas de campo absoluto, sin necesidad de integración numérica para reconstruir campos eléctricos, como es el caso de las sondas convencionales sensibles a la derivada temporal del campo eléctrico.

Se han demostrado mediciones electroópticas de fuertes pulsos electromagnéticos de intensas interacciones láser-materia en los regímenes de controlador de pulsos láser de nanosegundos y picosegundos (subpetavatios).