Модуляторы света

Модуляторы света на основе электрооптической керамики

Свойства электрооптической керамики состава ЦТСЛ

26-18

Пространственно-временные модуляторы света на основе электрооптической керамики (ЭОК) состава ЦТСЛ, управляемые электрическим напряжением, заслуживают самого серьезного внимания, как быстродействующие и высокоэффективные приборы. Это обусловлено следующими замечательными свойствами ЦТСЛ-керамики:

· многообразие элсктрооптических эффектов (индуцированное двулучепреломление, рассеяние света, пьезоэлектрические свойства и др.);

· прозрачность до 98% в видимом диапазоне длин волн (для толщины 100 мкм без учета потерь света на отражение);

· относительно низкие управляющие напряжения порядка 100–200 В для достижения максимального оптитеского контраста;

· высокая скорость электрооптического отклика 10-3 … 10-7 с в зависимости от используемого эффекта и прилагаемого электрического напряжения;

· наличие памяти в сегнетоэлектрической ЭОК;

· технологичность и низкая стоимость изготовления (в сравнении с электрооптическими кристаллами) пластин поликристаллического материала большого формата, до 200 мм в диаметре.

ЦТСЛ-керамика представляет собой поликристалл цирконата-титаната свинца Pb(Zr, Ti)O3, легированный лантаном состава х/у/z, где х показывает процентное содержание лантана, а у/z — процентное отношение цирконата и титаната свинца ( у + z = 100% ). Изменение соотношений компонент приводит к существенному изменению физических свойств керамики.

Электрооптическая керамика обладает одной точкой Кюри, выше которой находится в параэлектрической фазе и имеет кубическую сингонию: в вершине куба расположены атомы свинца; в центре – атом титана или циркония, в центрах граней – атомы кислорода. Ниже точки Кюри керамика находится в сегнетоэлектрической фазе и имеет ромбоэдрическую (или тетрагональную) симметрию. Такому состоянию соответствует деформация элементарных ячеек кристаллитов; атом титана или циркония смещен вдоль одной из четырех пространственных диагоналей ячейки. Это приводит к образованию доменов – областей спонтанной поляризации с электрическим вектором поляризации р.

В отсутствие внешних возмущений ориентацию доменов (соответственно, векторов р) относительно выделенной оси, например направления распространения света, в общем случае можно считать случайной. Объем такой ЗОК характеризуется вектором поляризации Р = Ерi = 0, вклад в который дают проекции векторов р на выделенное направление. Под действием внешних возмущений, например электрического поля, механических напряжений, возможны повороты векторов р отдельных доменов на углы 71°, 109° и 180° в ромбоэдрической фазе и на угол 90° в тетрагональной фазе. После прекращения воздействия объем ЭОК характеризуется наличием остаточной поляризации Р!=0, вклад в которую дают проекции всех векторов р на направление вектора возмущающей силы. Иначе, сегнетоэлектрическая керамика обладает «памятью». Поскольку каждый домен по своим оптическим свойствам аналогичен одноосному кристаллику, оптическая ось которого совпадает с направлением поляризации домена р, то объем ЭОК подобен одноосному кристаллу и обладает двулучепреломлением. Его эффективная величина зависит от степени и угла ориентации доменов относительно направления распространения света, которые в свою очередь зависят от величины возмущения. Этот эффект носит название эффекта управляемого двулучепреломления.

Электрооптическая керамика изготовляется методом горячего прессования, благодаря чему имеет весьма высокую плотность (около 7,9) и однородную структуру, соответствующие лучшей упаковке зерен-кристаллитов. Варьируя состав смеси и режим горячего прессования, можно получить керамику, обладающую при комнатной температуре теми или иными структурными и оптическими свойствами.

Для параэлектрической керамики обычно характерны составы с большим содержанием лантана: 9% и более. Она отличается большей прозрачностью и отсутствием двулучепреломления вследствие полного отсутствия доменной структуры; вектор поляризации в ней ипдупируется внешним электрическим полем и величина его растет с напряженностью поля.

Сегнетокерамика характеризуется содержанием лантана в пределах 6 … 8% и представляет собой конгломерат кристаллических зерен, которые случайно ориентированы относительно друг Друга; как правило, одно зерно содержит несколько доменов. Под влиянием напряжений векторы поляризации всех областей зерна могут совпасть по направлению и тогда образуется однодоменное зерно.

В электрическом поле векторы поляризации доменов стараются выстроиться преимущественно вдоль направления поля. Двулучепреломление домена, измеренное в предположении азимутальной симметрии вектора поляризации р относительно направления электрического поля (по оси z). Полная величина вычисляется умножением на объем, занимаемой доменами с поляризацией, интегрированием по углу и делением на полный объем. В случае изотропной ориентации доменов (термически деполяризованная керамика) имеем упомянутое выше значение. Во втором предельном случае, когда все домены выстроены вдоль электрического поля, имеем максимальное зачение для доменов с ромбоэдрической структурой и для тетрагональной симметрии, причем изменение направления электрического поля на противоположное не оказывает влияния на двулучепреломление. Заметим также, что на практике эффективное двулучепреломление в ЭОК, находящейся в электрическом поле, несколько меньше приведенных максимальных величин из-за неполного выстраивания доменов.

Приложение электрического поля и переориентация доменов в ЭОК сопровождаются возникновением механического напряжения, направленного перпендикулярно направлению электрического поля, где по-прежнему угол между направлениями поляризации и электрического поля для тетрагональной симметрии и для ромбоэдрической симметрии; здесь — соответствепно трансляции и ромбоэдрический угол.

Эффективные значения двулучепреломления и механического напряжения в объеме ЭОК связаны между собой следующим образом. Причем левая часть выражения содержит измеряемые в процессе эксперимента параметры ЭОК. Из выражения также следует, что изменение двулучепреломления ЭОК может быть обусловлено внешней деформацией образца или обратным пьезоэлектрическим эффектом, когда приложенное электрическое поле вызывает внутреннюю деформацию керамики и связанную с ней переориентцию векторов поляризации доменов вдоль тангенциальных составляющих механических напряжений.

Эффект управляемого двулучепреломления в ЭОК выражен намного сильнее, чем у большинства известных монокристаллов: КДР, танталата и ниобата лития и др. Например, для ЦТСЛ-керамики состава 8/65/35 максимальное двулучепреломление составляет 5,5*10-3, а соответствующее полуволновое напряжение на длине волны света 546 нм меньше в 36, 28 и 12 раз, чем в указанных электрооптических материалах. Этот эффект хорошо проявляется в керамике без памяти, где двулучепреломление индуцируется электрическим полем, но наиболее ярко выражен в мелкозернистой (размер зерен не превышает 2 мкм) керамике с памятью. В крупнозернистой сегнетоэлектрической керамике с размером зерен более 2 мкм превалирует эффект рассеяния света, обусловленный изменением направления распространения световых лучей на градиентах показателя преломления, границах зерен и доменных стенок.

Измеренные при комнатной температуре средние значения электрофизических параметров ЦТСЛ-керамики следующие: е~2000, tgб—0,02 при f=1 кГц, р=1012 Ом*см. Показатель преломления материала близок к 2,6, что обусловливает большой коэффициент френелевского отражения —до 33%. Область прозрачности керамики — от 0,6 до 6 мкм.

Простейшая модулирующая ячейка на основе ЦТСЛ-керамики представляет собой плоскопараллельную полированную пластину толщиной 100 – 200 мкм и площадью в несколько квадратных сантиметров, на сторонах которой формируются прозрачные или непрозрачные электроды, в зависимости от используемого электрооптического эффекта.

Оставьте комментарий к статье