Электрооптические материалы

К электрооптическим материалам относят анизотропные монокристаллы (как правило), обладающие сильно выраженным электрооптическим эффектом.Суть электрооптического эффекта можно описать следующим образом: если в отсутствии внешнего электрического поля эллипсоид показателей преломления анизотропного кристалла имеет вид

( x \ n₁₁ )² + ( y \ n₂₂ )² + ( z \ n₃₃ )² = 1

то есть кристалл характеризуется тремя компонентами тензора диэлектрической проницаемости ε₁₁ , ε₂₂ , ε₃₃ ( причем у ряда кристаллов возможно равенство некоторых из этих компонент,то есть ,например, ε₁₁ = ε₂₂ и,соответственно,длины двух полуосей эллипсоида показателя преломления равны : n₁₁ = n₂₂ = n_o , тогда,как длина третьей полуоси отличается, n₃₃ ≠ n_{11 ,} n₃₃ = n_e , то есть кристалл является одноосным ),то при приложении к кристаллу внешнего электрического поля эллипсоид показателей преломления изменяет свою форму ( размеры полуосей ) и положение в пространстве,и приобретает вид

( 1\n²)₁ x² + ( 1\n²)₂ y² + ( 1\n²)₃ z² + 2( 1\n²)₄ yz + 2( 1\n²)₅ zx + 2( 1\n²)₆ xy = 1

При этом в отсутствии внешнего поля,при E_вн = 0,( 1\n²)₁ = (1\n₁₁)² ; ( 1\n²)₂ = (1\n₂₂)²; ( 1\n²)₃ = (1\n₃₃)² ,тогда,как ( 1\n²)_4,5,6 = 0 . При наличии же внешнего поля с некоторой напряжённостью Е_вн ≠ 0 для приращений этих коэффициентов справедлива формула

Δ (1\n²)_i = ∑ r_ij E_j ; j = 1≡x , 2≡y, 3≡z ; i = 1,2,3,4,5,6

где суммирование производится по индексу j ( ассоциированному с осями x,y,z соответственно ) от j = 1 до j = 3 . Из формулы видно , что приращение коэффициентов Δ (1\n²)_i ~ E , первой степени напряжённости электрического поля , что соответствует линейному электрооптическому эффекту,эффекту Поккельса . Существует и квадратичный электрооптический эффект,эффект Керра,но,как правило,он выражен гораздо слабее. Соотношение между Δ (1\n²)_i и E_j может быть записано в матричной форме,в виде произведения двух матриц | r_ij | | E_j | :

Δ (1\n²)₁ r₁₁ r₁₂ r₁₃ E_x Матрица | r_ij | размерностью 3x6

Δ (1\n²)₂ r₂₁ r₂₂ r₂₃ называется матрицей электрооптических

Δ (1\n²)₃ = r₃₁ r₃₂ r₃₃ E_y коэффициентов и полностью описывает

Δ (1\n²)₄ r₄₁ r₄₂ r₄₃ электрооптические свойства кристалла.

Δ (1\n²)₅ r₅₁ r₅₂ r₅₃ При этом некоторые коэффициенты

Δ (1\n²)₆ r₆₁ r₆₂ r₆₃ E_z могут быть равны между собой или нулю.

Размерность электрооптических коэффициентов r_ij [ м \ в ] . Типичные величины для большинства монокристаллов лежат в диапазоне ( 0,5 – 20 )*10^-12 м\в, однако у некоторых материалов | r_ij | может быть и на порядок больше, достигая величины (200-300)*10^-12 м\в. Компоненты матрицы | r_ij | слабо зависят от длины волны оптического излучения, на котором наблюдается электрооптический эффект, но у некоторых материалов ( как правило, у сегнетоэлектриков ) эти коэффициенты сильно зависят от температуры, возрастая при приближении к точке Кюри – точке фазового перехода.Зная компоненты матрицы электрооптических коэффициентов, можно рассчитать поведение и свойства электрооптического кристалла и взаимодействие оптической волны с этим кристаллом при любом направлении приложенного к кристаллу внешнего электрического поля. Поэтому матрица электрооптических коэффициентов является исключительно важным параметром электрооптического материала.

Для оценки возможности использования данного оптического монокристалла в качестве основы электрооптического модулятора применяют так называемый коэффициент электрооптического качества F = ( n_α )⁷ ( r_αβ )² ( ε_β )^-1 , где n_α - длина полуоси эллипсоида показателей преломления вдоль оси α, поле модуляции E_β приложено вдоль оси β и ε_β - диэлектрическая проницаемость среды на частоте модуляции.Таким образом, для изготовления эффективного электрооптического модулятора выгодно использовать материалы с большим n_α , большими значениями r_ij и малыми величинами ε_β .

В настоящее время известно несколько десятков оптических материалов, проявляющих электрооптические свойства. Многие из них являются традиционными диэлектрическими монокристаллами различного состава, многие являются классическими полупроводниками, некоторые относятся к классу оптических керамик. Перечисление и описание свойств всех этих материалов выходит за рамки настоящего учебного пособия, поэтому мы ограничимся описанием нескольких монокристаллов, представляющих наибольший интерес либо с практической ( применение в реальных оптических и волоконно - оптических системах передачи информации ) либо с научно – технической и познавательной стороны. При этом при рассмотрении различных электрооптических материалов в качестве основы для разработки и создания элементов и узлов волоконно – оптических систем передачи необходимо, кроме описанных выше параметров, входящих, например, в коэффициент электрооптического качества, учитывать и другие факторы, не менее важные для промышленного использования данного материала. Так,материал должен быть оптически однородным, особенно в диапазоне рабочих частот. Материал должен обладать достаточно высокой твёрдостью, что способствует более точной механической обработке оптических поверхностей рабочих элементов и лучшей сохраняемости их в процессе эксплуатации. Минимальная анизотропия теплового расширения обеспечивает высокую стабильность электрооптических коэффициентов, температурная стабильность которых должна быть небольшой по величине и линейной по характеру. Материал должен быть нерастворим в воде и в обычно применяемых растворителях. Необходимы хорошие диэлектрические характеристики в диапазоне рабочих частот и напряжённостей полей во всём интервале рабочих температур. Высокая лучевая стойкость к действию мощного лазерного излучения. Высокая химическая стойкость по отношению к действию окружающей атмосферы. Минимальная величина тангенса угла диэлектрических потерь.

Конечно, не все электрооптические материалы соответствуют всем описанным выше требованиям. Например, дигидрофосфат калия DKDP , являясь весьма эффективным электрооптическим материалом, проявляет сильную гигроскопичность. Тем не менее, перечисленные выше технологические качества весьма желательно учитывать при выборе электрооптического материала.

В ряде случаев для быстрой оценки свойств электрооптического материала вместо описанного выше коэффициента электрооптического качества F используют более простой и наглядный параметр – управляющее напряжение, или полуволновое напряжение, необходимое для создания взаимной разности фаз между ортогональными компонентами поляризации, равной π , при использовании поперечной схемы модуляции и соотношении длины и толщины кристалла L/D = 1. В традиционной схеме модулятора , использующей скрещенные поляризаторы, это напряжение будет соответствовать полностью открытому модулятору, то есть максимальному пропусканию излучения.Естественно, этот параметр зависит от длины волны излучения, однако он даёт достаточное представление о свойствах данного кристалла.

В таблице 4.1 приведены основные параметры некоторых часто используемых электрооптических материалов :

Таб.4.1. Электрооптические материалы и их параметры.

Дата добавления: 2014-11-14; просмотров: 702; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!