Модулятори світла на основі електрооптичної кераміки

Главная » Каталог статей » Статьи на украинском » Модулятори світла » Модулятори світла на основі електрооптичної кераміки

Властивості електрооптичної ЦТСЛ-кераміки

Просторово-тимчасові модулятори світла на основі електрооптичної (ЭОК) ЦТСЛ-кераміки, керовані електричною напругою, заслуговують самої серйозної уваги, як швидкодіючі і високоефективні прилади. Це обумовлено наступними чудовими властивостями ЦТСЛ-кераміки:

· різноманіття електрооптичних ефектів (індуковане двопроменезаломлення, розсіювання світла, п’єзоелектричні властивості й ін.);

· прозорість до 98% у видимому діапазоні довжин хвиль (для товщини 100 мкм без обліку утрат світла на відображення);

· відносно низькі керуючі напруги порядку 100–200 В для досягнення максимального оптичного контрасту;

· висока швидкість електрооптичного відгуку 10-3 … 10-7 з у залежності від використовуваного ефекту і прикладеної електричної напруги;

· наявність пам’яті в сегнетоэлектричної ЭОК;

· технологічність і низька вартість виготовлення (у порівнянні з електрооптичними кристалами) пластин полікристалічного матеріалу великого формату, до 200 мм у діаметрі.

ЦТСЛ-кераміка являє собою полікристал цирконата-титаната свинцю Pb(Zr, Ti)O3, легований лантаном сполуки х/у/z, де х показує процентний уміст лантану, а у/z — процентне відношення цирконата і титанату свинцю ( у + z = 100% ). Зміна співвідношень компонент приводить до істотної зміни фізичних властивостей кераміки.

Електрооптична кераміка володіє однією крапкою Кюрі, вище якої знаходиться в параелектричній фазі і має кубічну сингонію: у вершині куба розташовані атоми свинцю; у центрі – атом чи титана цирконію, у центрах граней – атоми кисню. Нижче крапки Кюрі кераміка знаходиться в сегнетоэлектричній фазі і має ромбоедричну (чи тетрагональну) симетрію. Такому стану відповідає деформація елементарних осередків кристалітів; атом чи титана цирконію зміщений уздовж однієї з чотирьох просторових діагоналей осередку. Це приводить до утворення доменів – областей спонтанної поляризації з електричним вектором поляризації р.

Під час відсутності зовнішніх збурювань орієнтацію доменів (відповідно, векторів р) щодо виділеної осі, наприклад напрямку поширення світла, у загальному випадку можна вважати випадкової. Обсяг такий ЕОК характеризується вектором поляризації Р = Ерi = 0, внесок у який дають проекції векторів р на виділений напрямок. Під дією зовнішніх збурювань, наприклад електричного полючи, механічних напруг, можливі повороти векторів р окремих доменів на кути 71°, 109° і 180° у ромбоедричній фазі і на кут 90° у тетрагональній фазі. Після припинення впливу обсяг ЭОК характеризується наявністю залишкової поляризації Р!=0, внесок у який дають проекції усіх векторів р на напрямок вектора сили, що візьметься. Інакше, сегнетоелектрична кераміка володіє «пам’яттю». Оскільки кожен домен по своїх оптичних властивостях аналогічний одноосьовому кристалику, оптична вісь якого збігається з напрямком поляризації домена р, те обсяг ЭОК подібний одноосьовому кристалу і володіє двопроменезаломленням. Його ефективна величина залежить від ступеня і кута орієнтації доменів щодо напрямку поширення світла, що у свою чергу залежать від величини збурювання. Цей ефект зветься ефекту керованого двопроменезаломлення.

Електрооптична кераміка виготовляється методом гарячого пресування, завдяки чому має дуже високу щільність (близько 7,9) і однорідну структуру, що відповідають кращому упакуванню зерен-кристалитів. Варіюючи сполуку суміші і режим гарячого пресування, можна одержати кераміку, що володіє при кімнатній температурі тими чи іншими структурними й оптичними властивостями.

Для параелектричної кераміки звичайно характерні сполуки з великим змістом лантану: 9% і більш. Вона відрізняється більшою прозорістю і відсутністю двопроменезаломлення внаслідок повної відсутності доменної структури; вектор поляризації в ній ипдуктується зовнішнім електричним полем і величина його росте з напруженістю полючи.

Сегнетокераміка характеризується змістом лантану в межах 6…8% і являє собою конгломерат кристалічних зерен, що випадково орієнтовані відносно один Одного; як правило, одне зерно містить декілька доменів. Під впливом напруг вектори поляризації всіх областей зерна можуть збігтися по напрямку і тоді утвориться однодоменне зерно.

В електричному полі вектори поляризації доменів намагаються вишикуватися переважно уздовж напрямку полючи. Двопроменезаломлення домена, обмірюване в припущенні азимутальної симетрії вектора поляризації р щодо напрямку електричного полючи (по осі z). Повна величина обчислюється множенням на обсяг, займаної доменами з поляризацією, інтегруванням по куті і розподілом на повний обсяг. У випадку ізотропної орієнтації доменів (термічно деполяризована кераміка) маємо згадане вище значення. В другому граничному випадку, коли всі домени вибудовані уздовж електричного полючи, маємо максимальне зачення для доменів з ромбоедричною структурою і для тетрагональної симетрії, причому зміна напрямку електричного полючи на протилежне не робить впливу на двопроменезаломлення. Помітимо також, що на практиці ефективне двопроменезаломлення в ЭОК, що знаходиться в електричному полі, трохи менше приведених максимальних величин через неповне вибудовування доменів.

Додаток електричного полючи і переорієнтація доменів у ЭОК супроводжуються виникненням механічної напруги, спрямованого перпендикулярно напрямку електричного полючи, де як і раніше кут між напрямками поляризації й електричного полючи для тетрагональної симетрії і для ромбоедричній симетрії; тут — відповідно трансляції і ромбоедричний кут.

Ефективні значення двопроменезаломлення і механічної напруги в обсязі ЭОК зв’язані між собою в такий спосіб. Причому ліва частина вираження містить вимірювані в процесі експерименту параметри ЭОК. З вираження також випливає, що зміна двопроменезаломлення ЭОК може бути обумовлено зовнішньою деформацією чи зразка зворотним п’єзоелектричним ефектом, коли прикладене електричне поле викликає внутрішню деформацію кераміки і зв’язану з нею переорієнтацію векторів поляризації доменів уздовж тангенціальних складових механічних напруг.

Ефект керованого двопроменезаломлення в ЭОК виражений набагато сильніше, ніж у більшості відомих монокристалів: КДР, танталату і ніобата літію й ін. Наприклад, для ЦТСЛ-кераміки сполуки 8/65/35 максимальне двопроменезаломлення складає 5,5*10-3, а відповідне напівхвильова напруга на довжині хвилі світла 546 нм менше в 36, 28 і 12 разів, чим у зазначених електрооптичних матеріалах. Цей ефект добре виявляється в кераміку без пам’яті, де двопроменезаломлення индуцируется електричним полем, але найбільше яскраво виражений у дрібнозернистій (розмір зерен не перевищує 2 мкм) кераміці з пам’яттю. У грубозернистій сегнетоелектричній кераміці з розміром зерен більш 2 мкм превалює ефект розсіювання світла, обумовлений зміною напрямку поширення світлових променів на градієнтах показника переломлення, границях зерен і доменних стінок.

Обмірювані при кімнатній температурі середні значення електрофізичних параметрів ЦТСЛ-кераміки наступні: е~2000, tgб—0,02 при f=1 кгц, р=1012 Ом*див. Показник переломлення матеріалу близький до 2,6, що обумовлює великий коефіцієнт френелевого відображення -до 33%. Область прозорості кераміки — від 0,6 до 6 мкм.

Найпростіший осередок, що модулює, на основі ЦТСЛ-кераміки являє собою плоскопараллельну поліровану пластину товщиною 100 – 200 мкм і площею в кілька квадратних сантиметрів, на сторонах якої формуються прозорі чи непрозорі електроди, у залежності від використовуваного електрооптичного ефекту.

Оставьте комментарий к статье