6. Активні діелектрики

6.1 Класифікація активних діелектриків

Активними називають діелектрики, властивостями яких можна керуватиза допомогою зовнішніх енергетичних дій і використовувати ці дії для створення|створіння| функціональних елементів електроніки. Активні діелектрики дозволяють здійснити генерацію, посилення, модуляцію електричних і оптичних сигналів, запам'ятовування або перетворення інформації. У міру зростання складності електронної апаратури і переходу до функціональної електроніки роль і значення активних матеріалів при вирішенні найважливіших наукових і технічних задач безперервно зростають.

До активних діелектриків відносять сегнето-|, п’єзо-| і піроелектрики|; електрети|; матеріали квантової електроніки; рідкі кристали; електро-|, магніто-| і акустооптичні матеріали; діелектричні кристали з|із| нелінійними оптичними властивостями і ін.

Властивості активних діелектриків можуть мати не тільки|не лише| тверді, але також рідкі і навіть газоподібні речовини (наприклад, активне середовище|середа| газових лазерів). За хімічним складм це можуть бути органічні і неорганічні матеріали. За будовою|споруді| і властивостям їх можна підрозділити на кристалічні і аморфні, полярні і неполярні діелектрики. Ряд|лава,низка| матеріалів проявляє|виявляє| свою активність лише завдяки наявності в них спонтанної або стійкої залишкової поляризації. Проте|однак| поляризований початковий стан не є|з'являється,являється| обов'язковою умовою прояву|вияву| активності матеріалу при зовнішньому впливу.|сувора| Класифікація активних діелектриків, що охоплює багато відмінних ознак цих матеріалів, виявляється|опиняється| вельми|дуже| складною.

До того ж різкої відмінності|кордону| між активними і пасивними діелектриками не існує. Один і той же матеріал в різних умовах його експлуатації може виконувати або пасивні функції ізолятора або конденсатора, або активні функції керуючого або перетворюючого елементу.

Залежно від технічного призначення |суттєво| різні і вимоги до матеріалів. Так, одна з головних вимог, що пред'являються до пасивних діелектриків, полягає в збереженні|зберіганні| стабільності властивостей при зовнішніх діях. У той же час вимоги до активного матеріалу абсолютно|цілком| протилежні: чим сильніше змінюються його властивості при зовнішніх діях|збуреннях|, тим краще може виконувати активний елемент функції керування енергією або перетворення інформації, що поступає|надходить|.

В більшості випадків активні діелектрики класифікують за родом фізичних ефектів, які можна використовувати для керування властивостями матеріалів. Проте|однак| така класифікація, хоч і є|з'являється,являється| цілком|сповна| логічною і обґрунтованою, все ж таки|все же| не дозволяє чітко відокремити|відділити| одну групу матеріалів від іншої. Це пов'язано з тим, що багато матеріалів проявляють|виявляють| високу чутливість по відношенню до декількох видів енергетичних дій. Найбільшою універсальністю в цьому плані характеризуються сегнетоелектрики|, які поєднують|сполучають| в собі властивості п’єзо-| і пироелектриків|, електрооптичних і нелінійно-оптичних матеріалів. Вони можуть виступати|вирушати| і як електрети|. Разом з тим|в той же час|, сегнетоелектрики| вають ряд|поруч| специфічних, тільки|лише| їм властивих властивостей.

Найважливішою з|із| них є|з'являється,являється| нелінійна зміна поляризованості при дії електричного поля. Ця обставина дозволяє виділити сегнетоелектрики| в самостійну групу активних діелектриків. Те ж саме можна сказати і про рідкі кристали, специфікою яких є|з'являється,являється| анізотропія властивостей і висока структурна рухливість молекул, що виявляється в багатьох оптичних ефектах, невластивих іншим речовинам.

Зі|із| всього різноманіття активних діелектриків в даному|теперішньому,даному| розділі розглянуті|розгледіти| лише ті, які мають найбільш широке практичне застосування|вживання|.

6.2 Сегнетоелектрики

|

6.2.1 Основні властивості

Сегнетоелектриками| називають речовини, що характеризуються спонтанною поляризацією, напрямок|направлення| якої може бути змінений за допомогою зовнішнього електричного поля.

При відсутності зовнішнього електричного поля сегнетоелектрики|, як правило, мають доменну структуру. Домени є макроскопічними областями, що характеризуються спонтанною (мимовільною) поляризацією, яка виникає під впливом внутрішніх процесів в діелектриці. Напрями|направлення| електричних моментів у|в,біля| різних доменів різні. Тому сумарна поляризованість зразка|взірця| в цілому|загалом| може бути рівна нулю. У принципі|в принципі|, якщо кристал має малі розміри, то він може складатися всього лише з одного домена. Проте|однак| крупні|великі| зразки|взірці| завжди розбиваються на безліч доменів, оскільки однодоменний стан енергетично невигідний. Розбиття на домени зменшує електростатичну енергію сегнетоелектрика.

У монокристалі відносна орієнтація електричних моментів доменів визначається симетрією кристалічної решітки. Наприклад, в модифікації, тетрагона титанату барію (ВаТiO₃), можливі шість напрямів|направлень| спонтанної поляризації: антипаралельних або перпендикулярних один одному. Відповідно для цього випадку розрізняють 180-градусні і 90-градусні доменні границі|кордони|. Типова доменна структура для сегнетоелектриків| подібного типу показана на рис. 6.1. Енергетично найбільш вигідною є|з'являється,являється| така структура, при якій забезпечується електрична нейтральність доменних меж|кордонів|, тобто проекція вектора поляризації на межу|кордон| з боку одного домена повинна бути рівна по довжині і протилежна по напряму|направленню| проекції вектора поляризації з боку сусіднього домена. З цієї причини електричні моменти доменів орієнтуються за принципом «голо- |

Рисунок 6.1 – Схема розміщення доменів в кристалі титану барію тетрагональної модифікації

Рисунок 6.2 – Основна крива поляри-зації сегнетоелектрика і петля діеле-ктричного гістерезису

ва» до «хвоста». Встановлено|установлено|, що лінійні розміри доменів складають від 10^-4 до 10^-1 см .

Зовнішнє електричне поле змінює|зраджує| напрями|направлення| електричних моментів доменів, що створює ефект дуже сильної поляризації.

Цим пояснюються властиві сегнетозлектрикам| надвисокі значення діелектричної проникності (до сотень тисяч). Доменна поляризація пов'язана з процесами зародження і зростання|зросту| нових доменів за рахунок зсуву| зміщення| доменних меж|кордонів|, які у результаті викликають|спричиняють| переорієнтацію вектора спонтанної поляризованої у напрямі зовнішнього електричного поля.

Наслідком|наслідком| доменної будови|споруди| сегнетоелектриків| є|з'являється,являється| нелінійна залежність їх електричної індукції від напруженості електричного поля, показана на рис. 6.2. При дії слабкого|слабого| електричного поля зв'язок між D і Е носить приблизно лінійний характер|вдачу| (ділянка ОА). На цій ділянці переважають процеси зворотного зсуву|зміщення| (флуктуації) доменних меж|кордонів|. У області сильніших полів (область АВ|) зсув|зміщення| доменних меж|кордонів| носить необоротний|незворотний,безповоротний| характер|вдачу|. При цьому розростаються домени з|із| переважною орієнтацією, у|в,біля| яких вектор спонтанної поляризації утворює найменший кут|ріг,куток| з|із| напрямом|направленням| поля. При деякій напруженості поля, відповідній точці|точці| В, всі домени виявляються|опиняються| орієнтованими в напрямку поля. Наступає|настає| стан технічного насичення. У монокристалах стан технічного насичення відповідає однодоменному стану. Деяке зростання індукції в сегнетоелектрику| на ділянці технічного насичення обумовлене процесами індукованої (тобто електронної і іонної) поляризації. Її роль посилюється|підсилюється| з|із| підвищенням температури. Криву ОАВ| називають основною кривою поляризації сегнетоелектрика| (крива заряду сегнетоелектричного| конденсатора).

Якщо в поляризованому до насичення зразку|взірці| зменшити напруже-

ність поля до нуля, то індукція в нуль не звернеться|обернеться|, а прийме деяке залишкове значення Д.. При дії поля протилежної полярності індукція швидко зменшується і при деякій напруженості поля змінює|зраджує| свій напрям|направлення|. Подальше|дальше| збільшення напруженості поля знов|знову,щойно| переводить|перекладає,переказує| зразок|взірець| в стан технічного насичення (точка|точка| С|із|). Звідси витікає, що переполяризація| сегнетоелектрика| в змінних полях супроводжується|супроводиться| діелектричним гістерезисом. Напруженість поля Е, при якій індукція проходить через нуль, називається коерцитивною| силою.

Діелектричний гістерезис обумовлений необоротним|незворотним,безповоротним| зсувом|зміщенням| доменних меж|кордонів| під дією поля і свідчить про додатковий механізм діелектричних втрат, пов'язаних з витратами|затратами| енергії на орієнтацію доменів. Площа|майдан| гістерезисної петлі пропорційна|пропорціональна| енергії, що розсіюється в діелектрику за один період. Унаслідок|внаслідок| втрат на гістерезис сегнетоелектрики| характеризуються|дуже| великим тангенсом кута|рогу,кутка| діелектричних втрат, який в типових випадках приймає значення близько 0,1.

Сукупність вершин гістерезисних петель, одержаних|отриманих| при різних значеннях амплітуди змінного поля, утворює основну криву поляризації сегнетоелектрика| (див. рис. 6.2).

Нелінійність поляризації по відношенню до поля і наявність гістерезису обумовлюють|зумовлюють| залежність діелектричної проникності і ємності|ємкості| сегнетоелектричного| конденсатора від режиму роботи. Для характеристики властивостей матеріалу в різних умовах роботи нелінійного елементу використовують поняття статичної, реверсивної, ефективної і інших діелектричних проницаемостей|.

Статична діелектрична проникність ε_ст визначається основною кривою поляризації сегнетоелектрика|:

Реверсивна діелектрична проникність ε_р| характеризує зміну поляризації сегнетоелектрика| в змінному електричному полі при одночасній дії постійного поля.

Ефективну діелектричну проникність ε_эф, як і ефективну ємність|ємкість| конденсатора, визначають по діючому значенню струму|току| І (несинусоїдального), що проходить|минає,спливає| в ланцюзі|цепі| з|із| нелінійним елементом при заданій діючій напрузі|напруженні| U з|із| кутовою частотою ω:

Рисунок 6.3 – Залежності електричної індукції D і статичної діелектричної проникності титану барію від напру-женості електричного поля

Рисунок 6.4 – Діелектрична прони-кність титану барію в залежності від температури при різній напруженості електричного поля

Діелектричну проникність, вимірювану в дуже слабких|слабих| електричних полях, називають початковою.

На рис. 6.3 показана типова для сегнетоелектриков| залежність статичної діелектричної проникності від напруженості поля.

Специфічні властивості сегнетоелектриков| виявляються лише в певному діапазоні температур. В процесі нагрівання вище за деяку температуру відбувається|походить| розпад доменної структури і сегнетоелектрик| переходить в параелектричний стан. Температура Т_к такого фазового переходу одержала|отримала| назву сегнетоэлектричної| точки Кюрі. У точці Кюрі спонтанна поляризованість зникає, а діелектрична проникність досягає свого максимального значення.

На рис. 6.4 приведена залежність титанату барію від температури. З|із| малюнка видно|показно|, що при температурі порядку|ладу| 120°С є|наявний| яскраво виражена|виказана,висловлена| точка Кюрі, нижче за яку матеріал володіє сегнетоелектричними| властивостями, хоча в ньому і спостерігаються додаткові структурні зміни (вторинні|повторні| максимуми на кривих).

Перехід сегнетоелектрика| в параелектричний стан супроводжується|супроводиться| різким зменшенням tgδ, оскільки зникають втрати на гістерезис.

6.2.2 Класифікація сегнетоелектриків

|

В даний час|нині| відомо декілька сотень з'єднань|сполучень,сполук|, |що мають властивості сегнетоелектриків. Групу сегнетоелектриків |суттєво| доповнюють і розширюють тверді розчини на основі різних з'єднань|сполучень,сполук|. Таким чином, сегнетоелектричність є|з'являється,являється||досить| широко поширеним явищем в діелектриках. При цьому сегнетоелектричні| кристали характеризуються різноманіттям структурних типів, що свідчить про відмінність молекулярних механізмів виникнення спонтанної поляризації. Температура переходу в спонтанно поляризований стан (точка Кюрі) у|в,біля| різних сегнетоелектриков| складає від декількох Кельвінов (наприклад, у|в,біля| Pb₂Nb₂O₇ Т_к = 15К) до півтора тисяч Кельвінов (наприклад, у|в,біля| LiNbO₃ Т_к = 1483К), а спонтанна поляризована — від 10^-5 до 3 Кл/м2).

По типу хімічному зв'язку і фізичним властивостям всі сегнетоелектрики| прийнято підрозділяти на дві групи: 1) іонні кристали; 2) дипольні кристали.

У|в,біля| з'єднань|сполучень,сполук| першої групи характерним|вдача| структурним елементом кристалічної решітки є|з'являється,являється| кисневий октаедр, дякуючи чому цим матеріалам одержали|отримали| назву сегнетоелектриків| киснево-октаедричного типу. До іонних сегнетоелектриків| відносяться титанат барію (ВаТіО₃), титанат свинцю (РbТiO₃), ніобат| калію (KNbO₃), ніобат| літію (LiNbO₃), танталат літію (LiTaO₃), йодат| калію (КІ₃), барій-натрієвий| ніобат| (Ba₂NaNb₅O₁₅) або скорочено - БАНАН та ін.

У|в,біля| кристалів сегнетоелектриків| другої групи є|наявний| готові полярні групи атомів, здатні|здібні| займати|позичати,посідати| різні положення|становища| рівноваги. До дипольних сегнетоелектриків| відносяться сегнетову| сіль|соль| (NaKC₄H₄O₆-4H₂O), тригліцинсульфат| (NH₂CH₂COOH)₃-H₂SO₄, дигідрофосфат| калію (КН₂РО₄), нітрит натрію NaNO₂ і ін. Саме в кристалах сегнетової| солі|соль| вперше|уперше| були виявлені особливості в поведінці діелектриків, обумовлені спонтанною поляризацією. Звідси виникла і назва всієї групи матеріалів із|із| специфічними властивостями — сегнетоелектрики|.

Іонні і дипольні сегнетоелектрики| істотно|суттєво| розрізняються за властивостями. Так, всі з'єднання|сполучення,сполуки| киснево-октаедричного типа нерастворимы| у воді, володіють значною механічною міцністю, легко виходять у вигляді полікристалів| за керамічною технологією. Навпаки, дипольні сегнетоелектрики| володіють високою розчинністю у воді і малою механічною міцністю. Наприклад, розчинність сегнетової| солі|соль| у воді така|настільки| велика, що її кристали можна розпиляти за допомогою вологої|вогкої| нитки. Завдяки високій розчинності у воді можна легко виростити крупні|великі| монокристали цих з'єднань|сполучень,сполук| з|із| водних розчинів.

Переважна більшість сегнетоелектриків| першої групи мають значно вищу температуру Кюрі і більше значення спонтанної поляризованої, ніж сегнетоелектрики| другої групи. У|в,біля| значної частини|частки| дипольних сегнетоелектриків| точка Кюрі лежить набагато нижче за кімнатну температуру.

6.3 П’єзоелектрики

До п’єзоэлектриків| відносять діелектрики, які володіють сильно вираженим|виказаним,висловленим| п'єзоелектричним ефектом.

Прямим п'єзоелектричним ефектом називають явище поляризації діелектрика під дією механічних напруг|напружень|.

Рисунок 6.5 – Закономірності при п’єзоелектричному ефекті в діелектриках

Це явище було відкрито|відчинено| братами Кюрі в 1880 р. Виникаючий| на кожній з поверхонь діелектрика електричний заряд змінюється по лінійному закону залежно від механічних зусиль (рис. 6.5,б):

(6.1)

де Q — заряд; k — п’єзомодуль|; F — сила; S — площа|майдан|; q_s — заряд, який приходиться|припадає,приходиться| на одиницю площі|майдану|; Ρ |із| — поляризованість; σ|β,α³λ| — механічна напруга|напруження| в серетині діелектрика.

Таким чином, п’єзомодуль| k чисельно рівний заряду, що виникає на одиниці поверхні п’єзоэлектрика| при прикладені до нього одиниці тиску|тиснення|.

Значення п’єзомодуля| використовуваних в практиці п’єзоэлектриків| складає близько 10^-10 Кл/Н.

П'єзоелектричний ефект оборотній|звернемо|. При зворотному п'єзоелектричному ефекті відбувається|походить| зміна розмірів діелектрика Δ l/l залежно від напруженості електричного поля Ε по лінійному закону (рис. 6.5):

(6.2)

де δ—| відносна деформація.

У термодинаміці доводиться, що п’єзомодулі| а прямого і зворотного п'єзоефектів для одного і того ж матеріалу рівні між собою.

Деформація п’єзоэлектрика| залежить від напряму|направлення| електричного поля і міняє|змінює,замінює| знак при зміні напряму|направлення| останнього. На рис. 6.5,б показано, що при прикладанні до п’єзоэлектрика| синусоїдального електричного поля у|в,біля| нього виникають синусоїдальні деформації тієї ж частоти. Розрізняють також подовжній і поперечний п'єзоелектричні ефекти. Під першим розуміють такий ефект, коли виникнення зарядів на протилежних гранях пластинки|платівки| визначають в тому ж напрямі|направленні|, в якому були докладені механічні зусилля, а при зворотному п'єзоелектричному ефекті деформацію вимірюють|виміряють| у напрямку прикладеного електричного поля. При поперечному п'єзоелектричному ефекті виникаючі заряди або деформації вимірюють|виміряють| в напрямі|направленні|, перпендикулярному напряму|направленню| механічних зусиль або електричного поля відповідно.

Відомо більше тисячі речовин, що володіють п'єзоелектричними властивостями, зокрема — всі сегнетоелектрики|. Проте|однак| практичне застосування|вживання| в п’єзотехніці| має|находить| обмежене число|коло| матеріалів. Серед них один з найважливіших|поважних| є монокрисалічний| кварц. Це одна з модифікацій двоокису I кремнію. П’єзовлистивості існують лише у|в,біля| β-кварца|, виносливого| до температури 573°С. Вище за цю температуру змінюється тип структури, і п’єзовластивості| зникають. Крім кварцу в різних п’єзоперетворювачах| застосовують кристали сульфату літію Li₂SO₄-H₂O, сегнетової| солі|соль|, дигідрофосфату| амонію, а також ніобат| і танталат літію. Останні складають значну конкуренцію кварцу, перевершуючи його по добротності в діапазоні високих і надвисоких частот. Для додання|надання| п'єзоелектричних властивостей сегнетоелектричні| кристали LiNbO₃ і LiTaO₃ |перекладають,переказують| перетворення в монодоменний стан шляхом відпалу в сильному електричному полі при температурі дещо нижче за точку Кюрі.

Найбільш широке застосування|вживання| як п'єзоелектричний матеріал має|находить| сегнетоелектрична| кераміка. У звичайному|звичному| стані сегнетокераміка| не проявляє|виявляє| п’єзоактивности|, оскільки є|з'являється,являється| ізотропним середовищем|середою| унаслідок|внаслідок| хаотичного розташування окремих кристалічних зерен і ділення|поділки,розподілу,поділу| їх на домени з|із| різним напрямом|направленням| спонтанної поляризованої. Проте|однак|, якщо піддати сегнетокераміку| дії сильного електричного поля, то поляризованість| доменів одержить|отримає| переважну орієнтацію в одному напрямі|направленні|. Після|потім| зняття поля зберігається стійка залишкова поляризована, матеріал стає текстурованим|. За своїми властивостями поляризований сегнетокерамічний| зразок|взірець| близький до однодоменного кристала, тобто володіє високою п’єзоактивністью|.

Поляризовану сегнетокераміку|, призначену для використання в п'єзоелектричних перетворювачах, називають п’єзокерамікою|.

П’єзокераміка має перед монокристалами ту перевагу, що з|із| неї можна виготовити активний елемент практично будь-якого розміру і будь-якої форми (наприклад, порожнистий циліндр, що є|з'являється,являється| частиною|часткою| гідролокатора).

Основним матеріалом для виготовлення п’єзокерамічних| елементів є|з'являються,являються| тверді розчини PbZrO₃—PbTiO₃ (цирконат-титанат| свинцю або скорочено ЦТС|). Ця кераміка широко використовується для створення|створіння| могутніх ультразвукових випромінювачів в широкому діапазоні частот для цілей гідроакустики, дефектоскопії, механічної обробки матеріалів. Такі ультразвукові генератори застосовуються також в хімічній промисловості для прискорення різних процесів (емульсифікатори|, полімеризатори, стерилізатори і т. п.) і в напівпровідниковій технології для ефективного відмивання і знежирення напівпровідникових пластин за допомогою ультразвукової ванни. З|із| п’єзокераміки| роблять|чинять| малогабаритні мікрофони, телефони, гучномовці (високочастотні), слухові апарати, детонатори (для зброї), різні пристрої|устрої| підпалу в газових системах. П’єзокерамічні елементи можна використовувати як датчики тиску|тиснення|, деформацій, прискорень і вібрацій. Подвійне перетворення енергії (електричної в механічну і навпаки) покладене в основу роботи п’єзорезонансних| фільтрів, ліній затримки і п’єзотр|ансформаторів|.

П’єзотрансформатори призначені для отримання|здобуття| високої напруги. Їх звичайно виконують у вигляді пластини або бруска, одна половина якого (збудник коливань) поляризується по товщині, а інша половина (генератор) — по довжині бруска (рис. 5.6).

Рисунок 6.6 – Схема високовольтного п’єзоелектричного трансформатора (стрілки показують кінцевий напрямок поляризованості)

Змінне електричне поле, що підводиться до затисків збудника, викликає|спричиняє| резонансні механічні коливання по довжині бруска. У свою чергу|своєю чергою|, механічні коливання, що виникають в генераторній частині|частці|, приводять|призводять,наводять| до появи вихідної електричної напруги|напруження|. Трансформатори можуть бути сконструйовані для роботи в діапазоні частот 10—500 кГц|. На вищих частотах їх розміри виявляються|опиняються| дуже|занадто| мініатюрними, а на нижчих — великими. Коефіцієнт трансформації напруги|напруження|, пропорційний|пропорціональний| відношенню|ставленню| 2l/h, може досягати значень 50 і більш.

П’єзокерамічні трансформатори призначені для використання в схемах живлення|харчування| електронно-променевих трубок|люльок|, газорозрядних приладів, лічильників Гейгера і для генерування високовольтних імпульсів. Перевагами таких джерел живлення|харчування| є|з'являються,являються| відсутність магнітного поля, простота і надійність конструкції, малі маса і габаритні розміри.

Окрім|крім| кераміки ЦТС| для виготовлення різних п'єзоелектричних перетворювачів застосовують керамічні матеріали на основі твердих розчинів ВаМb_гО₆—РbМb₂О₃ і NaNbO₃—KNbO₃. Останні розроблені спеціально для високочастотних перетворювачів (10—40 Мгц).

6.4 Піроелектрики

До піроелектриків| відносять діелектрики, які володіють сильно вираженим|виказаним,висловленим| піроелектричним ефектом.

Піроелектричним ефектом називають зміну спонтанної поляризованості діелектриків при зміні температури.

(6.3)

Рівняння піроелектричного ефекту записують|занотовують| у вигляді|виді|: де Р_сп— спонтанна поляризована діелектрика; р — піроелектричний коефіцієнт.

При незмінній температурі спонтанний електричний момент діелектрика компенсується вільними зарядами протилежного знаку за рахунок процесів електропровідності або адсорбції заряджених частинок|часток,часточок| з|із| навколишньої|довколишньої| атмосфери. Зміна спонтанної поляризованої супроводжується|супроводиться| звільненням|визволенням| деякого заряду на поверхні діелектрика, дякуючи чому в замкнутому ланцюзі|цепі| виникає електричний струм|тік|

(6.4)

де S — поверхня піроелектрика|; dT/dt — швидкість зміни температури.

Температурна зміна спонтанної поляризованої обумовлена двома основними причинами. З одного боку, підвищення температури порушує впорядкованість в розташуванні елементарних дипольних моментів (первинний або істинний піроефект|), а з іншого боку, нагрівання викликає|спричиняє| зміну лінійних розмірів діелектрика і п'єзоелектричну поляризацію, обумовлену деформацією (вторинний|повторний| піроефект|). Піроелектричний коефіцієнт р враховує обидва ці чинники|фактори|.

Якість піроелектричного матеріалу прийнята характеризувати приведеним фізичним параметром

де ε—| діелектрична проникність; с|із| — питома об'ємна теплоємність.

Чим більше значення R_в, тим більшу різницю потенціалів можна одержати|отримати| на зразку|взірці| при одній і тій же потужності, що поглинається.

Піроелектричними властивостями володіють деякі лінійні діелектрики (наприклад, турмалін, сульфат літію) і всі сегнетоелектричні| матеріали. Особливість лінійних піроелектриків| полягає в тому, що в них, на відміну від сегнетоелектриків|, напрям|направлення| спонтанної поляризованої не може змінюватися за допомогою зовнішнього електричного поля.

Сегнетоелектрики| проявляють|виявляють| піроелектричні властивості тільки|лише| в монодоменизваному| стані, для якого характерна|вдача| однакова орієнтація спонтанної поляризованої всіх доменів. У полідоменному| зразку|взірці| сумарна поляризація рівна нулю, і тому піроефект| відсутній. Монодоменізація сегнетоелектрика| здійснюється шляхом витримки|витягу| його в постійному електричному полі при температурі дещо нижчу за точку Кюрі. Створення|створіння| і закріплення мрнодоменізованого| стану в сегнетоелектричниих| кристалах є|з'являється,являється| однією з найважливіших проблем при використанні їх як піроелектриків|.

З|із| термодинамічної теорії сегнетоелектрики витікає наступна|слідуюча| залежність спонтанної поляризованої від температури:

(6.5)

де А — деяка константа для даного| матеріалу.

Звідси витікає, що піроелектричний коефіцієнт зростає у міру наближення до температури фазового переходу (T_K)i

Значний піроефект| в сегнетоелектриках| використовується для створення|створіння| теплових датчиків і приймачів променевої енергії, призначених, зокрема, для реєстрації інфрачервоного і НВЧ-випромінювання. Принцип дії піроелектричних фотоприймачів дуже простий: променева енергія, потрапляючи|попадаючи| на зачорнену (що поглинає) поверхню сегнетоелектричного| кристалу, нагріває його. В результаті|унаслідок,внаслідок| нагрівання змінюється спонтанна поляризованність кристалу і виникає імпульс струму|току| [див. формулу (6.5)], який реєструється електронною схемою. Специфічною властивістю таких теплових фотоприймачів є|з'являється,являється| відсутність вибірковості по спектру випромінювання. Істотна|суттєва| перевага їх полягає в тому, що вони не вимагають охолоджування при детектуванні випромінювання навіть в далекій ІК-облисті| спектру. Разом з|поряд з,поряд із| цим вони володіють достатньо|досить| високою швидкодією (здатні|здібні| працювати в частотному інтервалі до 10 Мгц), проте|однак| по чутливості поступаються напівпровідниковим фотоприймачам.

Максимальними значеннями піроелектричних коефіцієнтів володіють сегнетоелектрики| з точкою Кюрі, близьким до кімнатної температури. До їх числа відносяться кристали ніобата| барій-стронцію (SrxBa1-xNb2O6) , у|в,біля| яких р = (4÷28)10^-4 Кл/(м²-К). Проте|однак| із-за високої діелектричної проникності чутливість по напрузі|напруженню| виявляється|опиняється| незначною.

Найбільш високим значенням R_B (8,5-10^-12м/В) володіють кристали тригліцинсульфату|. Завдяки хорошому|доброму| поєднанню властивостей, а також порівняльній простоті технології отримання |здобуття| крупних|великих| кристалів цей матеріал

широко використовується в низькочастотних детекторах випромінювання. Деяка незручність викликає|уявляє| гігроскопічність ТГС|, що обумовлює|зумовлює| необхідність його спеціальної герметизації в практичних пристроях|устроях|.

Підвищеною чутливістю на високих частотах характеризуються кристали LiNbO₃ і LiTaO₃, що відрізняються стабільністю піроелектричних властивостей. Завдяки високій температурі Кюрі вони не вимагають спеціальних прийомів закріплення монодоменизированного| стану і можуть стійко працювати до температур порядку|ладу| 500°С.

Піроелектричний ефект виявляється і в поляризованій сегнетокераміці|, хоча піроелектричні властивості полікристалічних зразків|взірців| помітно гірші, ніж у|в,біля| монокристалів. Для виготовлення фотоприймачів можна використовувати всі види п'єзокерамики|, проте|однак| найбільш відповідним|придатним| матеріалом для цих цілей є|з'являється,являється| кераміка ЦТСЛ|. Введення|вступ| добавки окису лантану дозволяє наблизити температуру Кюрі до кімнатної і набути вищого значення піроелектричних коефіцієнтів.

Відзначимо, що піро-| і п'єзоелектричні властивості виявлені у|в,біля| деяких полімерів, зокрема, у|в,біля| поляризованих плівок полівініл денфториду| і полівінілденхлориду|. Інтерес до нього викликаний|спричинений| простотою технології, невисокою вартістю, можливістю|спроможністю| виготовлення зразків|взірців| практично будь-якої геометрії. До того ж вони характеризуються малою інерційністю піроефект|у на високих частотах.

6.5 Електрети

|

Електретом| називають тіло з|із| діелектрика, що тривало зберігає поляризацію і що створює в оточуючому його просторі електричне поле, тобто електрет| є|з'являється,являється| формальним аналогом постійного магніта.

Термін електрет| був запропонований англійським фізиком Хевісайдом в 1896 р., а зразки|взірці| електретів| були вперше|уперше| виготовлені японським дослідником Егучі в 1922 р. з|із| охолодженого в сильному електричному полі розплаву полярних діелектриків: пальмового воску і каніфолі. Для уточнення технології отримання|здобуття| такі електрети| називають термоелектретами|. Термоелектрети здатні|здібні| створювати електричне поле в навколишньому|довколишньому| просторі протягом багатьох місяців і навіть років. Великий інтерес представляють|уявляють| фотоелектрети|, що виготовляються з|із| матеріалів, що володіють фотоелектропровідністю (сірка, сульфід кадмію і ін.), при одночасній дії світла і електричного поля. Фотоелектрети| можуть тривало зберігати заряди в темноті|темряві| і швидко розряджаються при освітленні.

Існують і інші способи отримання|здобуття| електретного стану в діелектриках. Наприклад, електроелектрети| утворюються при дії на діелектрик тільки|лише| електричного поля без нагріву або опромінювання|опромінення|. Поле вибирають настільки великим, що над поверхнею діелектрика виникає газовий розряд (електрична міцність газу нижча, ніж у|в,біля| твердого діелектрика); іони, прискорені полем, бомбардують поверхню діелектрика, створюючи структурні дефекти і утворюючи поверхневий|поверховий,зверхній| заряд. Електризація діелектрика полегшується при зниженому тиску|тисненні| газу в коронному розряді. Такі електрети| називають короноелектретами|.

Утворення електретного стану в діелектриці пояснює рис. 6.7. З|із| рис. 6.7,а видно|показно|, що на кожній з поверхонь електрету|, що знаходиться|перебуває| під поляризуючими електродами, утворюються електричні заряди обох знаків.

Рисунок 6.7 – Стан зарядів електрета з проходженням часу

Заряди, що перейшли з|із| поляризуючого електроду або з|із| повітряного зазору на поверхневі|поверхові,зверхні| пастки твердого діелектрика і що мають той же знак заряду, що і на електроді, називають гомозарядами|.

Заряди з|із| протилежним знаком полярності електродів, що виникають в електреті| за рахунок різних релаксаційних механізмів поляризації, називають гетерозарядами|.

Різниця гетеро-| і гомозарядів| визначає результуючий заряд поверхні електрету|. Переважанням того або іншого заряду пояснюється інверсія його знаку на поверхні електрету| з часом.

З|із| рис. 6.7,б видно|показно|, що відразу після|потім| закінчення поляризації переважає гетерозаряд|, а через деякий час, коли тепловий рух дезорієнтує диполі (рис. 6.7,в), переважаючим|пануючим| виявляється|опиняється| гомозаряд|. Це явище характеризується кривими (рис. 6.8).

Досліди показують, що гомозаряди| зберігаються протягом тривалішого часу в порівнянні з гетерозарядами|. Поверхнева|поверхова,зверхня| щільність зарядів, що спостерігається у|в,біля| різних електретів|, може складати 10^-6 - 10^-4 Кл/ м². При напруженості поляризуючого поля Е_п < 0,5 МВ/м, як правило, виявляється тільки|лише| гетерозаряд|, при Е_п > 1 МВ/м — гомозаряд|.

У|в,біля| органічних полярних електретів| переважають гетерозаряди|, у|в,біля| неорганічних (керамічних) матеріалів і органічних неполярних діелектриків — гомозаряди|. У|в,біля| такого відомого неполярного діелектрика, як плівковий фторопласт, існує дуже міцно утримуваний і значний по величині гомозаряд|. Гомозаряд локалізований тільки|лише| в поверхневих|поверхових,зверхніх| шарах електрета|, тоді як гетерозаряд| розподілений за всім обсягом електрета|, що і підтверджує фізичну природу цих зарядів.

Рисунок 6.8 – Криві залежності заряду електрета від часу: 1 – сторона електрета, повернена до мінуса поляризуючої напруги; 2 – те ж саме – до плюса

Рисунок 6.9 – Електрет в електри-чному колі

Час життя електретів| в нормальних умовах може досягати десятків років. Воно швидко зменшується з|із| підвищенням температури і вологості|вогкості| навколишнього середовища. При нагріванні відбувається|походить| звільнення|визволення| носіїв заряду, захоплених пастками, а також нейтралізація об'ємних зарядів за рахунок електропровідності діелектрика. У матеріалах з|із| дуже високим питомим опором релаксація заряду, локалізованого на глибоких пастках, відбувається|походить| дуже поволі|повільно|.

В даний час|нині| найбільше практичне застосування|вживання| знаходять|находять| електрети| на основі полімерних плівок (політетрафторетилен, полиетилектерефталат|, полікарбонат, поліметилметакрилат та ін.). В умовах підвищеної вологості|вогкості| найбільш стабільні електрети| з|із| політетрафторетилену.

Звичайно електрет| має вид тонкої пластинки|платівки| або плівки з|із| різнойменними зарядами однакової поверхневої|поверхової,зверхньої| щільності на протилежних сторонах.

Якщо електрет| помістити між металевими обкладаннями (рис. 6.9), то індукований заряд на них

,

де Q — заряд на поверхні элецтрета|; h1— зазор між однією з поверхонь електрета| і електродом (приймаємо, що зазор між іншою поверхнею і електродом нескінченно малий); h₂ — товщина електрета|; ε—| діелектрична проникність матеріалу електрета|. При зміні зазора h_i індукований заряд також змінюється. При періодичній зміні зазора в ланцюзі|цепі| між електродами проходить|минає,спливає| змінний струм|тік|, частота якого рівна частоті зміни зазора. Оскільки|тому що| внутрішній опір системи електрет| — електроди при цьому велике (10⁷—10⁸ Ом), струм|тік| не залежить від зовнішнього навантаження, і виходить своєрідний генератор змінного струму|току|.

У перетворювачах звичайно застосовують полімерні плівки товщиною 3—20 мкм|, металізовані з одного боку.

Еелектрети| можуть бути використані для виготовлення мікрофонів і телефонів, вимірювання|виміру| механічних вібрацій, як пиловловлювачі|пиловловники|, дозиметри радіації, вимірників атмосферного тиску|тиснення| і вологості|вогкості|, електрометрій, в клавішних обчислювальних машинах, в електрофотографії і в багатьох інших випадків.

6.6 Рідкі кристали

Рідкими кристалами називають такі речовини, які знаходяться|перебувають| в проміжному (мезоморфному) стані між ізотропною рідиною і твердим кристалічним тілом. З одного боку, вони володіють текучістю, здатністю|здібністю| знаходитися|перебувати| в каплевидному стані, а з|із| іншою — для них характерна|вдача| анізотропія властивостей і, перш за все|передусім| оптична анізотропія.

Трохи|крихта,малість| міжмолекулярних сил, що забезпечують впорядковану структуру рідкого кристала, є|з'являється,являється| принциповою основою сильної залежності властивостей від зовнішніх чинників|факторів| (температури, тиску|тиснення|, електричного поля і ін.). Ця залежність, у свою чергу|своєю чергою|, відкриває|відчиняє| багаті можливості|спроможності| при розробці індикаторних пристроїв|устроїв| різного призначення.

Рідкі кристали були відкриті|відчинені| в 1888 р. австрійським ботаніком Ф. Рейнітцером. Проте|однак| широке практичне застосування|вживання| ці речовини знайшли порівняно недавно. Специфіка рідких кристалів полягає в обмеженому температурному інтервалі існування мезофази| (тобто рідкокристалічного стану).

Рідкокристалічний стан утворюють в основному органічні сполуки є подовженою паличкоподібною| формою молекул. Значну частину|частку| рідких кристалів складають з'єднання|сполучення,сполуки| ароматичного ряду|лави,низки|, тобто з'єднання|сполучення,сполуки|, молекули яких містять|утримують| бензолові кільця. Прикладом|зразком| такої речовини служить р-метоксибензилиден-р-п-бутиланілін | (МВБА|):

В даний час|нині| відомо більше 3000 органічних сполук, здатних|здібних| існувати в мезоморфному стані. Серед них є і такі речовини, у|в,біля| яких температурний інтервал існування мезофази| включає кімнатну температуру (у їх числі МББА|). За ознакою загальної|спільної| симетрії всі рідкі кристали підрозділяються на три види: смектичні, нематичні| і холестеричі|.

Смектична фаза характеризується шаруватою будовою|спорудою| (рис. 6.10, а). Центри тяжіння подовжених молекул знаходяться|перебувають| в площинах|плоскості|, рівновіддалених один від одного. У кожному шарі молекули орієнтовані паралельно за рахунок пружної дисперсійної взаємодії. Текучість забезпечується лише взаємним ковзанням шарів, тому в'язкість середовища|середи| достатньо|досить| велика. Із-за високої в'язкості смектичні рідкі кристали не одержали|отримали| широкого застосування|вживання| в техніці.

У нематичній| фазі довгі осі молекул орієнтовані уздовж|вздовж,уподовж| одного загального|спільного| напряму|направлення|, званого нематичним| директором. Проте|однак| центри тяжіння молекул розташовані|схильні| безладно, так що виникає симетрія нижчого порядку|ладу|, ніж у|в,біля| смектичних кристалів (рис. 6.10,6). При такій будові|споруді| речовини можливо взаємне ковзання молекул уздовж|вздовж,уподовж| нематичного| директора.

Холестерична| фаза на молекулярному рівні схожа на нематичну|. Проте|однак| вся її структура додатково закручена навколо|навкруг,довкола| осі гвинта|, перпендикулярної молекулярним осям. В результаті виходить шарувата гвинтова структура з|із| кроком спіралі L близько 300 нм| (рис. 6.10, в).

Рисунок 6.10 – Схематичне зображення будови рідких кристалів: а – смектична; б – нематична; в – холестерична

Така фаза поводиться по відношенню до падаючого випромінювання подібно до інтерференційного фільтру, тобто світлові промені випробовують|відчувають| селективні віддзеркалення|відображення,відбиття|. Явище багато в чому аналогічно дифракції рентгенівських променів на кристалічних решітках твердих тіл. Проте|однак| масштаби тут зовсім інші: оскільки періоди холестеричної| спіралі складають сотні нанометрів, довжини хвиль Х₀, що задовольняють умові Вульфа — Брега, відповідають видимій області спектру:

де θ — кут|ріг,куток| падіння променів; m — порядок|лад| дифракційного максимуму.

Якщо плоский шар холестеричного| рідкого кристала освітлювати білим світом, то у відбитому світлі він здаватиметься|видаватиметься| забарвленим|пофарбованим|, причому забарвлення|фарбування| може змінюватися залежно від кута|рогу,кутка| спостереження.

Крок гвинтової спіралі сильно залежить від зовнішніх дій. При

зміні температури змінюється відстань між молекулярними шарами, відповідно змінюється довжина хвилі К₀ максимального розсіювання при заданому куті спостереження. В результаті виходить колірний термометр, який має різні застосування|вживання|. Зміну кольору|цвіту| текстури при зміні температури називають термохромним| ефектом.

Якщо холестерична| структура освітлюється монохроматичним світлом, то при постійному куті спостереження змінюється інтенсивність розсіяного|неуважного| світла. На цьому принципі можливе створення|створіння| дуже чутливих датчиків температури. Підбираючи|добираючи| різні за складу речовини, можна здійснити вимірювання|виміри| температури в межах від —40 до 250°С. Температурний діапазон зміни кольоровості обмежений інтервалом існування мезофази|, який можна регулювати, використовуючи багатокомпонентні суміші холестеричниих| рідких кристалів, в межах від декількох десятків градусів до 0,01С. Таким чином, за допомогою рідкокристалічних індикаторів можна зареєструвати зміни температури в тисячні долі градуса. Колірні термоіндикатори| з|із| успіхом застосовуються для цілей технічної і медичної діагностики. Вони дозволяють дуже просто одержати|отримати| картину теплового поля у вигляді колірної діаграми. Цей же принцип використовується для візуалізації інфрачервоного випромінювання і полів НВЧ|.

6.7. Матеріали для твердотілих лазерів

|твердотілих|

Лазер є джерелом оптичного когерентного випромінювання, що характеризується високою спрямованістю і великою щільністю енергії.

У основі принципу дії лазерів лежить відкрите|відчинене| А. Эйнштейном явище вимушеного|змушеного| (стимульованого) випромінювання. Воно полягає в практично одночасному випусканні узгоджених|погоджених| па частоті і напряму|направленню| електромагнітних хвиль (фотонів) величезною кількістю атомів (або молекул) під дією зовнішнього електромагнітного поля. Перші прилади на основі вимушеного|змушеного| випромінювання були створені в 50-х роках незалежно і майже одночасно в СРСР академіками Н. Г. Басовим і А. М. Прохоровим і в США групою учених на чолі з Ч. Таунсом.

Основними елементами лазерів на твердих діелектриках є|з'являються,являються| активне середовище|середа| (робоче тіло), оптичний резонатор і система оптичного накачування. Активним середовищем|середою| служить кристалічна або склоподібна| матриця, в якій рівномірно розподілені активні іони (активатори люмінесценції). Всі процеси поглинання і випромінювання світла пов'язані з переходами електронів між рівнями активного іона; при цьому матриця грає пасивну роль. Тип активного іона в основному визначає спектр випромінювання лазера.

Робоче тіло лазера виготовляють, як правило, у вигляді циліндрового стрижня|стержня|, торцеві поверхні якого обробляються з|із| високим ступенем|мірою| точності. Паралельність торців витримується в межах декількох кутових секунд. Для збудження активних іонів використовується оптичне накачування за допомогою могутніх газорозрядних ламп.

З|із| радіотехніки відомо, що необхідною умовою роботи будь-якого генератора є|з'являється,являється| наявність позитивного зворотного зв'язку, тобто частина|частка| енергії коливань повинна поступати|надходити| з виходу генератора на його вхід. У оптичних квантових генераторах (лазерах) позитивний зворотний зв'язок здійснюється резонатором, який звичайно виконують у вигляді двох плоскопаралельних дзеркал. Одне з них напівпрозоре|просвічуваність| для виведення випромінювання з|із| активного елементу. Що відображають|відбивають| поверхні резонатора іноді|інколи| суміщають|поєднують| з|із| торцями робочого стрижня|стержня|.

Не дивлячись на те, що матриця не бере участь в процесах генерації коливань, багато фізичних властивостей активного середовища|середи| визначаються саме матрицею. Тому речовина кристалічної або склоподібної| основи повинна задовольняти ряд|лаві,низці| вимог:

1. неактивована матриця повинна бути оптично прозорою як для випромінювання накачування, так і випромінювання активних іонів, що вводяться|запроваджуються| в матрицю;

2. речовина основи повинна бути високої теплопровідності, щоб ефективно розсіювати енергію, що виділяється при безвипромінювальних переходах;

3. матриця повинна бути оптично однорідною. Механічні напруги|напруження|, різні мікровключення, бульбашки, межі|кордони| зерен збільшують порогову потужність генерації, викликають|спричиняють| паразитне поглинання і розсіяння енергії. Внаслідок цього збільшується розходження| лазерного променя, ослабляється його інтенсивність;

матеріал основи повинен володіти високою нагрівостійкістю і механічною міцністю, щоб витримувати теплові перевантаження при високій щільності випромінювання накачування і генерації;

5) матриця повинна бути стійка до дії ультрафіолетового випромінювання ламп накачки;

6) матеріал повинен бути технологічний, тобто доступний для масового виробництва циліндрових стрижнів|стержнів| необхідних розмірів. Збільшення розмірів робочого тіла дозволяє підвищити потужність випромінювання лазера;

Перерахованим вимогам в тій чи іншій мірі відповідають високотемпературні| кисневі з'єднання|сполучення,сполуки| [оксиди, гранати, вольфрамати|, молибдати|, ніобати|, алюмінати, цирконати| та ін.], фторити різних металів, а також оксидні і фтор-осрилатні| стікла. Основу останніх складає ВеР₂. Найбільш поширені кристалічні матриці вказані табл. 6.1.

Таблиця 6.1. Властивості деяких матеріалів, використовуваних твердотілих|твердотілих| лазерах

Активний матеріал	Матриця	Акти-ватор	Концентрація актива-тора, мол. %	Довжина хвилі генерації λ, мкм	Пока-зник залом-лення	ККД
Рубін	α-Al2O3	Cr3+	0.03 – 0.05	0.694	1.76	1
Ітрій-алюмінієвий гранат з неодимом	Y3Al5O12	Nd3+	1– 3	1.06	1.83	5 – 7
Алюмінат ітрію з неодимом	YAlO3	Nd3+	3	1.06	1.95	1
Натрійлантанмоли-бдат з неодимом	NaLa(MoO4)2	Nd3+	2	1.06	1.82	2.5
Флюорит з диспрозієм	CaF2	Dy3+	0.02	2.36	1.42	2
Шеєліт з неодимом	CaWO4	Nd3+	2	1.06	1.92	1.7
Скло з неодимом	Скло	Nd3+	2 – 6	1.06	1.55	5 – 6

Основні вимоги до активатора зводяться до наступного|слідуючого|:

1. Іони активатора повинні мати широкі смуги поглинання і вузькі сильні лінії люмінесценції. Чим ширша смуга оптичного поглинання, тим більша частина|частка| випромінювання накачування використовується для збудження активних іонів. Проте|однак|, чим менша ширина ліній люмінесценції, тим вище за характеристику лазерного випромінювання і тим менша потужність, потрібна для накачування. Бажано також, щоб частота збудливого|збуджуючого| (тобто що поглинає) випромінювання не дуже сильно перевищувала частоту лазерного випромінювання. Інакше значна частина|частка| енергії, що поглинається, витрачатиметься на нагрів кристалічної решітки.

2. Активатор повинен створювати збуджені метастабільні рівні (тобто рівні з|із| великою тривалістю життя), на яких| можна накопичувати|скупчити,нагромадити| значну кількість електронів. При цьому тривалість| життя електронів на метастабільних рівнях повинно визначатися в основному випромінювальними оптичними переходами.

3. Іони активатора повинні вводитися|запроваджуватися| в матрицю без порушення її оптичної однорідності, механічної міцності і термостійкості.

Як активні іони використовуються виключно|винятково| елементи перехідної групи і рідкоземельні елементи, що містять|утримують| внутрішні незабудовані 3d- і 4f-електронні оболонки. Глибоко розташовані|схильні| електрони внутрішніх орбіт екрануються зовнішніми оболонками від електростатичної взаємодії з|із| сусідніми іонами кристалічної решітки. Це приводить|призводить,наводить| до слабкого|слабого| розщеплювання внутрішніх рівнів і забезпечує високу монохроматичність випромінювання лазера.

У переважній більшості випадків активування здійснюють трьохвалентними іонами Nd³⁺, при цьому в різних матрицях генерація випромінювання спостерігається приблизно в однаковому спектральному діапазоні поблизу λ = 1,06 мкм| (табл. 6.1).

Одним з найбільш освоєних матеріалів лазерної техніки є|з'являється,являється| рубін. Саме на рубіні в 1960 р. був створений перший твердотілий|твердотілий| лазер. Рубінами називають кристалиα-корунда (А1₂О₃), в яких частина|частка| іонів алюмінію заміщена іонами хрому. Кількістю хрому визначається коліром|цвіт| рубіна. У лазерній техніці використовують рожеві|трояндові| рубіни із|із| змістом|вмістом,утриманням| Сг₂О₃біля|близько| 0,05 мас.%, що відповідає концентрації 1,6- 10²⁵ іонів хрому в одному кубічному метрі. При змісті|вмісті,утриманні| окису хрому більше 0,5 мас|.% рубін набуває|придбаває| червоного забарвлення|фарбування|. Чисті кристали α-корунда (А1₂О₃)оптично прозорі в діапазоні 0,17—6,5 мкм|.

Кристал рубіна володіє оптичною анізотропією і має майже кубічну симетрію, дещо спотворену уздовж|вздовж,уподовж| однієї з просторових діагоналей, внаслідок чого дійсна симетрія кристала — ромбоедрична. Цінними|коштовними| якостями рубіна є|з'являються,являються| високі механічна міцність, і теплопровідність.

Іони хрому створюють в широкій забороненій зоні корунду систему енергетичних рівнів (рис. 6.11), які істотно|суттєво| відрізняються від рівнів енергії у вільних атомах хрому із-за дії електростатичного внутрішньокристалічного поля.

Рисунок 6.11 – Діаграма енергетичних рівнів іонів хрому в рубіні:

1 – оптичне накачування; 2 – безвипромінювальний перехід (релаксація); 3 – вимушене випромінювання

Рівень Э₁, на рис. 6.11 відповідає основному, тобто незбудженому стану хрому. Рівні, розташовані|схильні| вище, характеризують збуджені стани іонів активатора. Широка смуга Э₃ використовується для поглинання випромінювання накачування. Переходи електронів між рівнями Э_1, і Э₂ |

відповідають| за генерацію випромінювання в кристалі.

При збудженні зовнішнім світлом електрони з|із| основного стану 3, переходять в смугу Э₃ , а потім за дуже короткий час (~10^-8c) безвипромінювальним шляхом|колією,дорогою| переходять на рівень Э₂ |. Надлишкова|надлишкова| енергія| йде на нагрів кристалічної решітки. Рівень Э₂ | є|з'являється,являється| метастабільним, тобто характеризує збуджений стан з|із| достатньо|досить| великим часом життя (~10^-3 с). Це приводить|призводить,наводить| до накопичення електронів на рівні Э₂ | до створення|створіння| інверсної накопичення, що необхідне для генерації вимушеного|змушеного| випромінювання.

Якщо повернення електрона в основний стан відбувається|походить| мимоволі, спонтанно, то різні активні іони випромінюють неодночасно і незалежно. Тому випромінювані електромагнітні хвилі не узгоджені|погоджені| по фазі. Випадковий характер|вдача| має не тільки|не лише| момент випускання фотона, але і напрям|направлення| його розповсюдження|поширення|. В результаті спонтанне випромінювання виявляється|опиняється| некогерентним і несфокусованим в просторі.

Проте|однак| активний іон може перейти в основний стан не спонтанно, а вимушено, під дією електромагнітної хвилі, якщо тільки|лише| частота цієї хвилі відповідає частоті переходу (Э₂— Э₁). Образно кажучи, така резонансна хвиля «розгойдує» електрон на метастабільному рівні і прискорює його перехід в стан з|із| меншою енергією. Вірогідність|ймовірність| вимушеного|змушеного| переходу пропорційна|пропорціональна| інтенсивності випромінювання, що «змушує|змушує|». Особливість вимушеного|змушеного| випускання полягає в тому, що випромінюваний при електронному переході «новонароджений» фотон по своїх параметрах абсолютно не відрізняється| від первинних фотонів, що викликали|спричинили| перехід: він має ті ж частоту і фазу, той же напрям|направлення| розповсюдження|поширення|.

Подвійне перетворення енергії (електрика — світло — когерентне випромінювання) практично виключає досягнення високого коефіцієнта корисної дії твердотілих|твердотілих| лазерів. Ситуація|становище| ускладнюється тим, що джерела накачування мають розмитий спектр і збудження активних іонів відбувається|походить| лише в невеликій частині|частці| цього спектру.

Штучні кристали рубіна звичайно вирощують в печах по методу Вернейля. По цьому методу ретельно подрібнений| порошок окису алюмінію з|із| добавкою Сг₂О₃ поволі|повільно| падає в полум'я гідрогено-кисневого пальника. Окремі частинки порошку, проходячи через полум'я, розплавляються і потім|і тоді| кристалізуються на кристалі, приманки, поміщеному поза|зовні| полум'ям. Одержану|отриману| заготівку|заготовку,заготівлю| відпалюють|випалюють|, а потім обробляють, додаючи|наділяючи,надаючи| їй необхідні форму і розміри. Високоякісні кристали рубіна можуть бути одержані|отримані| і методом витягування з|із| розплаву.

Разом з|поряд з,поряд із| рубіном найважливішим матеріалом лазерної техніки є|з'являється,являється| ітрій-алюмінієвий| гранат, в кристалічній решітці якого частина|частка| іонів ітрію заміщена іонами неодиму (скорочений запис ІАГ|: Nd³⁺). Низька порогова енергія збудження при кімнатній температурі, висока механічна міцність і хороша|добра| теплопровідність дають можливість|спроможність| застосовувати цей матеріал в лазерах, що працюють в безперервному і високочастотному режимах. Важливі|поважні| високі експлуатаційні характеристики ІАГ|: Nd-лазерів: температурна і радіаційна стійкість. Кристали ІАГ| оптично ізотропні і прозорі в спектральному діапазоні 0,2— 4 мкм|.

Оскільки в спектрі ІАГ|: Nd³⁺ відсутні широкі смуги поглинання, то для збільшення ефективності оптичного накачування звичайно використовують ефект сенсибілізації. Як сенсибілізатор вводять|запроваджують| іони Сг³⁺. У гранатовій матриці спостерігається достатньо|досить| висока розчинність як рідкоземельних елементів, так і елементів перехідної групи. Енергія накачування, поглинена в широких смугах сенсабілізуючого| іона Сг³⁺, резонансним безвипромінювальним шляхом|колією,дорогою| передається активним іонам Nd³⁺. Сенсибілізація дозволяє підвищити коефіцієнт корисної дії 5—7% (див. табл. 6.1) і довести потужність в безперервному режимі генерації до сотень ватів. По потужності випромінювання і значенню коефіцієнта корисної дії лазери (ІАГ|: Nd³⁺ + Cr³⁺) конкурують з|із| потужними лазерами на вуглекислому газі, відрізняючись від останніх значно меншими габаритами і зручнішою для практичного застосування|вживання| довжиною хвилі випромінювання.

Лазери знаходять|находять| застосування|вживання| в системах оптичної локації, в телебаченні, голографії, інформаційно-вимірювальній техніці, в медицині|. Широке розповсюдження|поширення| одержала|отримала| лазерна обробка оптично непрозорих матеріалів: імпульсна зварка|зварювання|, плавлення, паяння, свердлення отворів, різання і ін.

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПЕРЕВІРКИ

1. Які діелектрики називають активними? У чому відмінність вимог до активних і пасивних діелектриків?

2. Яка електрична впорядкованість властива сегнетоелектрикам|?

3. Як пояснити діелектричний гістерезис і нелінійність залежності заряду від напруги|напруження| у|в,біля| сегнетоэлектриков|?

4. Що таке початкова, реверсивна і ефективна діелектричні проникності?

5. Що називають сегнетоелектрической| точкою Кюрі?

6. Який мікроскопічний механізм спонтанної поляризації титанату барію?

7. Назвіть|накликайте| найбільш важливі|поважні| застосування|вживання| сегнетоелектриків|. На яких властивостях матеріалів засновані ці застосування|вживання|?

8. Що таке прямий і зворотний п'єзоефект? У яких діелектриках можна спостерігати ці явища|?

9. Від яких чинників|факторів| залежать п’єзоелектричні| властивості сегнетоелектричної| кераміки? У чому переваги п’єзокераміки| перед монокристалічними п’єзоелектриками|?

10. Що таке піроелектричний ефект? Які застосуванні|вживанні| піроелектриків| вам відомі?

11. Яка природа електретного стану в діелектрика? Що таке гомо-| і гетерозаряд|?

12. У чому відмінність між рідким станом речовини і «рідким кристалом»?

13. Як класифікуються рідкі кристали по вигляду|виду| симетрії? Які з|із| них знаходять|находять| найбільш| широке застосування|вживання| в електронній техніці і для яких цілей?

14. Які основні вимоги| пред'являються до діелектрика як лазерному матеріалу? Які елементи і чому найчастіше використовуються як активатори люмінесценції в твердотілих|твердотілих| лазерах?