Электрооптические материалы

Электрооптические материалы применяют в производстве актив­ных элементов (модуляторов) приборов, предназначенных для изме­нения основных параметров излучения в оптическом диапазоне с помощью внешнего электрического поля. Принцип действия этих материалов основан на электрооптическом эффекте, заключающемся в изменении диэлектрической проницаемости (действительной и мнимой ее составляющих), показателя преломления п (п = 41) и рас­сеяния света под действием электрического напряжения. В холесте- рических жидких кристаллах (см. ниже) электрооптический эффект наступает не только под воздействием электрического поля, но так­же теплового поля и давления.

В качестве технической характеристики электрооптического эф­фекта материалов используют полуволновое напряжение U_x/2, пред­ставляющее собой величину приложенного напряжения, при кото­ром фаза выходящего из кристалла света изменяется на 180°. Значение U_x/2 зависит от длины волны X проходящего света и для различных диэлектриков составляет единицы и десятки киловольт.

Чем ниже U_x/2, тем меньшие значения напряжения требуются для модуляции света данным кристаллом и тем больший практический интерес он представляет. В зависимости от вида электрооптического эффекта, протекающего в материалах, различают электрооптические материалы с линейным, квадратичным и динамическим электрооп­тическими эффектами.

Материалы с линейным электрооптическим эффектом имеют ли­нейную зависимость значений е и п от напряженности электриче­ского поля. К ним относятся кристаллы, не имеющие центра сим­метрии; это пьезоэлектрики и сегнетоэлектрики. Кристаллы с линейным электрооптическим эффектом широко используют в каче­стве модуляторов лазерного излучения. Наиболее широкое примене­ние на практике получили кристаллы дигидрофосфата калия КН₂Р0₄ (область прозрачности 0,2—1,35 мкм, Uy₂ ⁼ Ю кВ при X = 0,546 мкм) и его дейтерированного аналога КН₂Р0₄ в параэлектрической фазе (область прозрачности 0,2—1,6 мкм, U_x/2 = 3,5 кВ при X = 0,546 мкм), ниобата лития LiNb0₃ (область прозрачности 0,4—0,5 мкм, U_x/2 = 3 кВ при X = 0,546 мкм), танталата лития LiTa0₃ (область прозрачности 0,3—0,6 мкм, U_x/2 = 1,5 кВ при X = 0,546 мкм). Наряду с перечислен­ными сегнетоэлектрическими кристаллами используют также неко­торые кристаллы, имеющие кубическую структуру типа сфалерита (структуру, подобную структуре алмаза, отличающуюся от нее тем, что природа и размер входящих в нее частиц различны); это теллу- рид кадмия CdTe (область прозрачности 2—28 мкм, U_x/2 = 53 кВ при X = 0,546 мкм), сульфид цинка ZnS (область прозрачности 0,4—12 мкм, U_x/2 = 12 кВ при Х = 0,546 мкм), хлористая медь CuCl (область прозрачности 0,4— 20 мкм, U_x/2 = 6 кВ при X = 0,546 мкм). Эти кристаллы ввиду слабой зависимости е от длины волны излуче­ния применяют в модуляторах СВЧ-диапозона.

У материалов с квадратичным электрооптическим эффектом значе­ния е и X не зависят от знака приложенного напряжения, но зависят от квадрата напряженности электрического поля. К ним относятся кристаллы, имеющие центр симметрии, а также изотропные среды (например, жидкости). Практический интерес могут представлять кристаллы группы перовскитов: титанат бария BaTi0₃ (область про­зрачности 0,4—4,5 мкм, U_XJ2 = 0,5 кВ при X = 0,546 мкм), танталат- ниобат калия KTao₆₅Nbo ₃₅U₃, а также некоторые жидкости: нитро­бензол, сероуглерод и др. Значения U_x/2 у этих материалов значительно ниже, чем у материалов, обладающих линейным элек­трооптическим эффектом. Однако их существенным недостатком являются технологические трудности выращивания оптически одно­родных кристаллов, что препятствует их широкому использованию.

В последнее время в качестве электрооптического материала на­чали применять оптически прозрачную сегнетокерамику. Наиболь­ший интерес представляет система ЦТСЛ РЬ(2гД1,._х)0₃ + jLa₂0₃. В зависимости от содержания лантана точка Кюри изменяется от 200°С до комнатной температуры и ниже. Эта керамика в сегнето- электрической фазе проявляет линейный электрооптический эф­фект, а в параэлектрической фазе вблизи точки Кюри — ярко выра­женный квадратичный электрооптический эффект.

Материалы с динамическим электрооптическим эффектом облада­ют беспрерывным хаотическим изменением показателя преломления света у диэлектрика при воздействии на него внешнего электриче­ского поля, а у некоторых также теплового поля и давления. Этот класс материалов представляют жидкие кристаллы.

Дата добавления: 2015-08-09