Оптическое материаловедение. Активные материалы
.pdf
У пьезокерамических материалов пьезоэлектрические свойства появляются после воздействия на них сильного постоянного электрического поля.
Подбором режимов поляризации (температуры, напряженности электрического поля, времени поляризации), можно получить оптимальные пьезоэлектрические свойства.
Большинство составов пьезокерамических материалов основано на химических соединениях с кристаллической структурой типа перовскита с формулой АВО3 (например, ВаТiO3, РbТiO3, LiNbO3) и различных твердых растворов на их основе (например, системы ВаТiO3 – СаТiO3; ВаТiO3 – СаТiO3 – СоСO3; NaNbO3 –
KNbO3).
Особенно широко используются в качестве пьезоэлектриков составы системы цирконата-титаната свинца
PbTiO3 – PbZrO3 (ЦТС или PZT).
В России разработаны и производятся следующие марки пьезокерамик:
ЦТС-19, ЦТС-36 (ПКР-1), ЦТС-21, ПКР-61.
Для изготовления высокочастотных пьезопреобразователей используются напыляемые пьезополупроводниковые пленки ZnO и AlN.
Замена пластинчатого пьезопреобразователя слоистой системой, формируемой 
методами напыления непосредственно на звукопровод акустооптического модулятора, имеет ряд преимуществ: 
отсутствие промежуточных связующих слоев, вносящих потери;
исключение необходимости плоскопараллельной шлифовки тонких пластин;
высокая эффективность работы на основной резонансной частоте пьезопреобразователя по сравнению с работой пластинчатых преобразователей на высоких гармониках;
более простое электрическое согласование ввиду меньшей емкости преобразователей на слоях
ZnO и AlN.
Экспериментально установлено, что слои ZnO для пьезопреобразователей рационально применять в диапазоне частот 0,3–1,5 ГГц, а слои AlN перспективны для частот выше 1 ГГц.
Слои ZnO получают магнетронным распылением цинковой мишени в среде Аr – О2 на постоянном токе, слои AlN – высокочастотным магнетронным распылением алюминиевой мишени в сре-
де Аr – N.
61
ЛЕКЦИЯ 9. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ЗВУКОПРОВОДА
В качестве материала звукопровода при создании акустооптических модуляторов используются жидкости, стекла и монокристаллы.
Эффективность дифракции света на ультразвуке определяется акустооптическим качеством монокристалла
M |
|
= |
n3n3 p2 |
cosγ cosγ |
|
cosϕ, |
|
|
1 2 |
|
|||||
|
2 |
|
ρ |
v3 |
1 |
2 |
|
|
|
|
|
зв зв |
|
|
|
где n1, n2 – показатели преломления падающего и дифрагированного света; γ1 – угол сноса падающего света; γ2 – угол сноса дифрагированного света; ϕ – угол сноса звуковой волны.
Параметры n1, n2, р, vзв, γ1, γ2, ϕ определяются физическими свойствами монокристаллов и, следовательно, зависят от ориентации акустооптического взаимодействия в кристаллах.
Материал звукопровода должен иметь большие значения показателя преломления n и фотоупругой константы р, низкую скорость распространения vзв и малый коэффициент поглощения α звука.
|
|
|
|
α |
. |
|
Для характеристики поглощения звука иногда пользуются параметром, |
|
Г = |
||
|
не зависящим от частоты и характеризующим свойства материала |
|
|
v2 |
|
|
|
|
|
зв |
|
|
|
|
|
|
|
Высокая оптическая прозрачность на рабочей длине волны
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Химическая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Механическая |
|
|
стойкость |
|
|
|
Важное значение при выборе мате- |
|
|
прочность |
||||||||||
|
|
|
|
|
риала звукопровода имеют также |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Слабая зависимость фи- |
|
|
|
|
|
|
|
|
Минимальная |
анизотро- |
|||||||
|
зических свойств |
мате- |
|
|
|
Оптическая |
|
|
|
|
пия |
теплового |
расшире- |
|||||
|
риала от температуры |
|
|
|
однородность |
|
|
|
|
ния |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
62
Используя характеристики акустооптического качества, полученные ранее, можно сформулировать некоторые общие требования, выполнение которых дает возможность рассматривать кристалл в качестве среды для акустооптики.
Эти требования определяются необходимостью иметь кристаллы с высокими акустооптическими качествами, которые в общем случае определяются константами фотоупругости р, плотностью материала ρ, скоростью звука Vзв.
Акустооптическое качество относительно слабо зависит от констант фотоупругости р, так как эти константы слабо меняются в пределах материалов, принадлежащих к одному типу, и даже для различных типов материалов отличаются не более, чем в два раза.
Плотность ρ различных кристаллов может отличаться довольно сильно.
Среди хорошо известных диэлектрических кри-
сталлов это отличие может составлять от
ρ = 2,65 г/см3 (SiО2) до ρ = 9,22 г/см3 (Bi12GeО20).
Поэтому, несмотря на то что М2 слабо (линейно) зависит от ρ, влияние плотности на М2 для различных кристаллов может быть близким влиянию показателя преломления.
Высокие значения М2 должны иметь кристаллы с высоким показателем преломления.
Реальные значения показателя преломления в диэлектрических кристаллах варьируются в интервале от 1,6 до 2,4.
Учитывая сильную зависимость М2 от показателя преломления и, несмотря на относительно узкие пределы изменения n, можно надеяться повысить М2 в 2–3 раза за счет выбора кристаллов с высоким значением показателя преломления.
Скорость распространения акустических волн Vзв для различных кристаллов может отличаться в несколько раз, поэтому влияние Vзв на различие M2 для различных кристаллов во многих случаях является определяющим.
Низкая скорость звука особенно выгодна для устройств отклонения светового луча, так как позволяет получать большие углы отклонения и обеспечивает высокую разрешающую способность.
Однако низкие скорости звука препятствуют получению больших скоростей отклонения, что ограничивает частоты, на которых может работать акустооптический дефлектор.
63
Кроме того, существует корреляция между скоростью звука и его затуханием – в материалах с низкими скоростями звука обычно велико затухание, что потребует увеличения акустической мощности Iзв и, следовательно, компенсирует преимущества, получаемые от увеличения М2.
Однако характер корреляции между M2 и затуханием таков, что M2 возрастает быстрее, чем затухание звука и, следовательно, произведение M2Iзв с ростом М2 должно возрастать.
У некоторых жидкостей (вода, этиловый спирт, четыреххлористый углерод и др.)
М2 достигает значений, превышающих 10–12 с3/кг, и они могут применяться для
создания модуляторов света, работающих в режиме дифракции Рамана–Ната.
Это означает, что в большинстве случаев, более перспективными для акустооптического применения являются кристаллы с высоким значением M2.
Применение жидкостей ограничено из-за высокого коэффициента поглощения звука, поэтому на частотах выше 50 МГц перспективными являются твердотельные акустооптические модуляторы.
9.1. Традиционные материалы для звукопровода
В наибольшей степени требованиям, предъявляемым к материалам звукопровода, удовлетворяют кристаллические окислы, обладающие большой плотностью, низкой твердостью и содержащие тяжелые катионы.
Применение монокристаллов в акустооптических устройствах обусловлено высокими акустооптическими свойствами, наличием анизотропии физических свойств, что позволяет выбирать срезы и геометрию взаимодействия, соответствующие экстремальным значениям М2.
В монокристаллах можно реализовать аномальную дифракцию Брэгга за счет анизотропии их свойств, а также разрабатывать высокочастотные устройства за счет низких коэффициентов поглощения звука.
64
Вкачестве традиционных акустооптических кристаллов, обладающих низким
затуханием, следует рассматривать кварц SiO2, ниобат лития LiNbO3, силикат висмута Bi12SiO20 (силленит), молибдат свинца PbМоO4 (вульфенит), иодат ли-
тия LiJO3.
Вчисле кристаллов, обладающих большим М2, помимо ТеО2, можно выделить арсенид галлия GaAs, обладающий ярко выраженными полупроводниковыми свойствами, но характеризующийся большим затуханием звука.
Традиционные материалы для звукопровода
|
|
|
Ультразвуковая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
волна |
|
|
Акусти- |
Погло- |
|
|
|
Плот- |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||
|
Класс |
|
|
Поля- |
Диапазон |
ческое |
щение |
||
|
ность |
|
Направле- |
||||||
Материал |
сим- |
–3 |
|
ризация |
прозрач- |
качество |
звука |
||
|
метрии |
ρ·10 3, |
Тип |
ние рас- |
света |
ности |
М2·10–18, |
Г·102, |
|
|
|
кг/м |
прост- |
|
|
3 |
/г |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
с |
дБ/(ГГц ) |
||
|
|
|
|
ранения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SiO2 |
32 |
2,65 |
L |
[100] |
[001] |
0,12–4,5 |
2,383 |
3,0 |
|
LiNbO3 |
3m |
4,64 |
L |
[100] |
[010] |
0,4–4,5 |
5,6 |
0,15 |
|
Bi12SiO20 |
23 |
9,14 |
L |
[100] |
[100] |
|
9,02 |
|
|
LiIO3 |
6 |
4,5 |
L |
[001] |
[100] |
0,3–6 |
33,6 |
– |
|
PbMoO4 |
4/m |
6,95 |
L |
[100] |
[010] |
0,4–5,5 |
36 |
15 |
|
GaAs |
43m |
5,34 |
L |
[110] |
[110] |
1–11 |
104 |
30 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
TeO2 |
422 |
5,99 |
S |
[110] |
– |
0,35–5 |
793 |
290 |
|
65
9.2. Кварц
Несмотря на низкие значения акустооптического качества, кварц используется в качестве материала звукопровода.
Во многом это объясняется высокой добротностью, малым поглощением, хорошей термостабильностью, отлаженным технологическим процессом изготовления кристаллов.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nзв |
|
Uзв |
|
Е |
М2, ·10–18 с3/г |
|||
|
Акустооптическое качество кварца |
|
|
|
[001] |
[001] |
|
[010] |
|
1,48 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
[100] |
[100] |
|
[001] |
|
2,38 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Упругооптические |
|
р11 |
р33 |
р44 |
|
р12 |
|
р13 |
|
|
р14 |
|
р31 |
р41 |
|
|
коэффициенты |
|
0,128 |
0,098 |
|
–0,0685 |
|
0,25 |
0,259 |
|
–0,029 |
|
0,258 |
–0,042 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Кристаллический кварц используют при изготовлении фильтров с высокой избирательной способностью.
Плавленый кварц является материалом, относительно которого определяют акустооптическое качество других материалов.
Значение М2 любого материала выражают относительно величины М2 плавленого кварца (1,56·10–18 с3/г), которую принимают равной единице.
Плавленый кварц имеет малый коэффициент затухания звука, низкие оптические потери и высокое оптическое качество.
Плотность 2,2 г/см3, диапазон прозрачности плавленого кварца 0,2–4,5 мкм, показатель преломления 1,457.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Скорость |
акустической |
волны |
|
|
|
Применяется для работы внутри ре- |
|
|
5,96·103 м/с. |
|
|
|
|
|
зонаторов лазеров. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
66
9.3. Диоксид теллура
Известны три фазы диоксида теллура ТеО2: 
•орторомбическая фаза со структурой броакита;
•тетрагональная фаза со структурой рутила;
•вторая тетрагональная фаза – искаженная структура рутила (парателлурит).
Диоксид теллура ТеО2 (парателлурит) выращивается методом Чохральского в виде бесцветных кристаллов.
Температура плавления Тпл = 732 °С, плотность (5,99 ± 0,03)103 кг/м3, твердость по Моосу 4.
|
|
|
|
|
α11 = 17,7; |
α22 = 17,7; α33 = 55,0. |
|
Тепловое расширение, 10–6 К |
|
||||
|
|
|
|
ε11 = 21,4; |
ε33 = 24,9. |
|
|
Диэлектрические свойства |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Кристаллы парателлурита имеют тетрагональную решетку (точечная группа симметрии 422), в которой атом теллура окружен шестью ионами кислорода, образующими искаженный октаэдр.
Расстояния между парами ионов кислорода в таком октаэдре неодинаковы и составляют 0,191; 0,209
и 0,289 нм.
Параметры решетки парателлурита составляют а = (0,4796 ± 0,0002) нм и
с = (0,7626 ± 0,0002) нм.
67
Оптические свойства парателлурита
Парателлурит обладает значительным двупреломлением и оптической активностью с левым вращением плоскости поляризации.
|
|
|
|
|
Полоса пропускания |
|
0,35–5 мкм. |
|
|
|
|
Показатель преломления для λ = 0,6328 мкм
Нелинейный оптический коэффициент
no = 2,2597 ± 0,0006, ne = 2,4119 ± 0,0007.
d14 = (0,93 ± 0,08)d36 KDP.
Основная область применения парателлурита – акустооптические устройства.
Созданные на основе парателлурита линии задержки используют тот факт, что поперечная плоскополяризованная ультразвуковая волна, распространяющаяся в монокристалле по направлениям диагоналей основания тетрагональной элементарной ячейки кристалла, оказывается достаточно медленной.
В кристаллах парателлурита весьма существенна анизотропия поглощения ультразвука:
При распространении плоскополяризованной волны частотой в 1 ГГц в направлении [110]
сколебаниями в волне вдоль направления 1 10
поглощение достигает 290 дБ/см.
При распространении плоскополяризованной волны частотой в 1 ГГц вдоль базисного на- 
правления [100] в плоскости (001) с колебаниями в волне вдоль другого базисного направле-
ния [010] поглощение достигает 19 дБ/см.
Если колебания в волне совпадут по направлению с осью симметрии 4-го порядка, то при любом направлении распространения волны в перпендикулярной этому направлению плоскости (001) поглощение составит всего 9 дБ/см.
68
Кристаллы парателлурита отличаются довольно значительной анизотропией упругих свойств, что сказывается на прохождении звуковой волны в разных направлениях кристаллической решетки.
Для создания акустооптических приборов на парателлурите особый интерес представляет дифракция света на медленной акустической сдвиговой волне, распространяющейся в плоскости (001) в направлении [110]
споляризацией S в плоскости 1 10 .
Эта волна имеет скорость 616 м/с и ей соответствует величина акустического качества М2 = (700…800)·10–18 с3/г для световых волн с направлением волнового вектора, близким к направлению [001] (то есть более чем в 500 раз превосходит М2 плавленого кварца).
Скорости звука в кристалле парателлурита
|
Волновой вектор КGзв |
|
Поляризация |
|
Тип колебаний |
|
Скорость звука vзв, м/с |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
[100] |
|
|
L |
|
|
|
3051 |
|
||||||
[100] |
|
|
[010] |
|
|
S |
|
|
|
3317 |
|
|||||||
|
|
[001] |
|
|
S |
|
|
|
2100 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
[001] |
|
|
L |
|
|
|
4300 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Круговая |
|
|
S |
|
|
|
2104 |
|
||||
[001] |
|
|
[110] |
|
|
L |
|
|
|
4663 |
|
|||||||
|
|
|
|
[ |
|
|
10] |
|
|
S |
|
|
|
600 |
|
|||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
[1 |
|
|
0] |
|
|
S |
|
|
|
616 |
|
|||
[110] |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
[001] |
|
|
S |
|
|
|
2100 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Волновой |
Направление |
Волновой |
Поляризация |
Акустооптиче- |
|||||||||||||
|
вектор звуко- |
деформации |
вектор свето- |
световой |
ское качество, |
|||||||||||||
|
вой волны КGзв |
в звуковой волне Sзв |
вой волны kGcв |
волны |
М2·10–18, c3/г |
|||||||||||||
|
[001] |
[001] |
|
|
|
|
[010] |
[100] |
34,5 |
|
||||||||
|
[110] |
[1 |
|
0] |
|
|
|
|
[001] |
Круговая |
793 |
|
||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
[110] |
[1 |
|
0] |
|
|
|
|
[001] |
Произв. |
515 |
|
||||||
|
1 |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Высокое акустооптическое качество парателлурита сочетается с хорошими тепловыми и механическими характеристиками.
69
Затухание продольных и поперечных волн в парателлурите пропорционально квадрату частоты, то есть описывается механизмом затухания Ахиезера (затухание упругой волны при ее взаимодействии с фононным спектром кристалла).
Затухание продольных 1 и поперечных 2 акустических волн в кристалле парателлурита вдоль направления [00l]
Для создания акустооптических приборов на парателлурите наибольший интерес представляет дифракция света на медленной акустической сдвиговой волне, распространяющейся в плоскости (001) с направлением К [110] и поляризацией S [110].
Эта волна имеет скорость Vзв = 620 м/с, и соответствующая ей величина акустического качества для световых волн с направлением волнового век-
тора, близким к |
[001], составляет |
М2 = (700…800)·10–18 |
с3/г (более чем в |
500 раз превосходит это значение для кварца).
Схема элемента дефлектора на парателлурите
1 – прошедший свет; 2 – дифрагированный свет; 3 – пьезопреобразователь; 4 – поглотитель звука
70