Билет № 15

1) Пьезоэлектрические материалы и их электрофизические параметры.

К пьезоэлектрикам относят диэлектрики, которые обладают сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляри­зации диэлектрика под действием механических напряжений. Это явление было открыто братьями Кюри в 1880 г. Возникающий на каждой из поверхностей диэлектрика электрический заряд изменя­ется по линейному закону в зависимости от механических усилий:

, где Q — заряд; d — пьезомодуль; F — сила; S — площадь; — заряд, который приходится на единицу площади; Р — полярнзованность; — механическое напряжение в сечении диэлектрика.

Таким образом, пьезомодуль d численно равен заряду, возникающе­му на единице поверхности пьезоэлектрика при приложении к нему единицы давления. Пьезоэлектрический эффект обратим. При обратном пьезоэлектри­ческом эффекте происходит изменение размеров диэлектрика в зависимости от напряженности электрического поля Е по линейному закону:

где — относительная деформация.

Деформация пьезоэлектрика зависит от направления электричес­кого поля и меняет знак при изменении направления последнего. Различают также продольный и попереч­ный пьезоэлектрические эффекты. Под первым понимают такой эффект, когда возникновение зарядов на противоположных гранях пластинки определяют в том же направлении, в котором были приложены меха­нические усилия, а при обратном пьезоэлектрическом эффекте деформа­цию измеряют в направлении приложенного электрического поля. При поперечном пьезоэлектрическом эффекте возникающие заряды или деформации измеряют в направлении, перпендикулярном направле­нию механических усилий или электрического поля соответственно.

Известно более тысячи веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в том числе — все сегнетоэлектрики. Однако практиче­ское применение в пьезотехнике находит ограниченный круг мате­риалов. Среди них одно из важных мест занимает монокристаллическнй кварц. Это одна из модификаций двуокиси кремния.

2) Оптические и лазерные материалы.

Лазер представляет собой источник оптического когерентного излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии.

В основе принципа действия лазеров лежит открытое А. Эйнштейном явление вынужденного(стимилированного) излучения. Оно заключается в практически одновременном испускании согласованных по частоте и направлению электромагнитных волн (фотонов) огромным количеством атомов (или молекул) под действием внешнего электромагнитного поля.

Основыми элементами на твердых диэлектриках являются активная среда (рабочее тело), оптический резонатор и система оптической накачки Активной средой служит кристаллическая или стеклообразная матрица, в которой равномерно распределены активные ионы (активаторы люминесценции). Вещество кристаллической или стеклообразной основы должно удовлетворять ряду требований.

1) неактивированная матрица должна быть оптически прозрачной как для излучения накачки, так и излучения активных ионов, вводимых в матрицу;

2) вещество основы должно обладать высокой теплопроводностью, чтобы эффективно рассеивать энергию, выделяющуюся при безызлучательных переходах;

3)матрица должна быть оптически однородной. Механические напряжения, различные микровключения, пузырьки, границы зерен увеличивают пороговую мощность генерации, вызывают паразитное поглощение и рассеяние энергии. Вследствие этого увеличивается расходимость лазерного лучу, ослабляется его интенсивность;

4)материал основы должен обладать высокой нагревостойкость; и механической прочностью, чтобы выдерживать тепловые перегрузки

при высокой плотности излучения накачки и генерации;

5) матрица должна быть устойчива к воздействию ультрафиолетов го излучения ламп накачки;

6) материал должен быть технологичен, т. е. доступен для массово го производства цилиндрических стержней необходимых размеров Увеличение размеров рабочего тела позволяет повысить мощность из лучения лазера;

7) структура кристаллической решетки матрицы должна допускать введение активатора в заданной концентрации.

Перечисленным требованиям в той или иной мере удовлетворяют высокотемпературные кислородные соединения [окислы гранаты, вольфраматы, молибдаты, ниобаты, алюминаты цирко-наты и др.],

Основные требования к активатору сводятся к следующему:

1. Ионы активатора должны иметь широкие полосы поглощения и узкие сильные линии люминесценции. Чем шире полоса оптического поглощения, тем большая часть излучения накачки используется для возбуждения активных ионов.

2. Активатор должен создавать возбужденные метастабильные уровни (т. е. уровни с большим временем жизни), на которых можно накопить значительное количество электронов.

3. Ионы активатора должны вводиться в матрицу без нарушения ее оптической однородности, механической прочности и термостойкости.