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.

Добавить комментарий

Your email address will not be published.

Previous Story

Методы измерения частоты

Next Story

Критерії ефективності для моделей інформаційного пошуку

Latest from Оптикоэлектронная елементная база