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.

Добавить комментарий

Your email address will not be published.

Previous Story

Дослідження трифазно магнітоелектричної синхронної машини

Default thumbnail
Next Story

Напівпровідникові модулятори світла

Latest from Модулятори світла