Комбінований п’єзоелектрооптичний ефект в сегнетоелектричних кристалах - Автореферат

Впродовж останніх десятиліть, пошук нових методів керування оптичним випромінюванням займає одну з провідних позицій, як в фундаментальній оптиці, так і в оптичному приладобудуванні. Виникнення параметричної кристалооптики, як наукового напрямку, в свою чергу, відкрило нові можливості для розробки швидкодіючих пристроїв керування оптичним випромінюванням на основі електрооптичного, пєзооптичного, акустооптичного та магнітооптичного ефектів, таких як, модулятори, дефлектори, оптичні затвори, та ін. Подальший розвиток даної галузі відбувався в кількох основних напрямках, а саме, оптичного матеріалознавства, тобто пошуку ефективних матеріалів для оптичних пристроїв; інтегральної оптики, тобто мініатюризації, інтегрування та економії енергії, а також в напрямку виявлення та дослідження нових явищ, які могли б бути використаними в оптичних пристроях. Так, наприклад, виявлення ефекту електрогірації (оптичної активності індукованої електричним полем [2*]) дозволяє, розширити клас кристалів, які можуть використовуватись для керування лазерним випромінюванням, та розширити область використання впливу електричного поля на оптичні властивості кристалів.

За матеріалами дисертації опубліковано 12 наукових праць, з них 6 статей в наукових журналах та 6 тез доповідей у збірниках матеріалів наукових конференцій.

Структура і обєм дисертації.

Дисертаційна робота складається з вступу, літературного огляду, методичного розділу, двох розділів з викладом результатів досліджень, висновків та списку літератури. Загальний обєм роботи становить 110 сторінок, які включають 36 рисунків, та 98 бібліографічних назв.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі сформульовані актуальність, мета та завдання досліджень, звязок проведених досліджень з науковими програмами, а також наукова новизна і практичне значення одержаних результатів. У вступі наведені також відомості про апробацію результатів дисертації, перелік опублікованих автором робіт.

В першому розділі розглянуто поведінку заломлюючих та гіротропних властивостей сегнетоелектричних кристалів під дією електричного, магнітного полів, механічного напруження та проаналізовано зміну цих властивостей внаслідок спільної дії електричного поля і механічного напруження, електричного поля і магнітного поля.

На основі проведеного літературного огляду встановлено, що на даний час, досліджувалась лише зміна гіротропних властивостей кристалів внаслідок спільної дії полів різної природи. Величина зміни двозаломлюючих властивостей кристалів під дією зовнішніх полів, як відомо, є суттєвішою в порівнянні із зміною гіротропних властивостей, проте зміна двозаломлення при дії кількох полів різної природи на даний час не досліджувалась. Однак, виявлення та дослідження таких ефектів є актуальним з точки зору їх можливого застосування як засобу варіації параметрів оптоелектронних пристроїв керування лазерним випромінюванням.

В другому розділі розглянуто методику дослідження зміни двозаломлення під дією полів різної природи, зокрема описано методику дослідження його зміни внаслідок спільної дії електричного поля та механічного напруження. Показано, що така зміна описується тензором пєзоелектрооптичний ефекту, який є полярним тензором пятого рангу, з внутрішньою симетрією [V2]2V. На основі проведеного симетрійно-тензорного аналізу за допомогою методу Фумі та методу циклічних координат, визначено ненульові компоненти тензора білінійного за напруженістю електричного поля та механічним напруженням пєзоелектрооптичного ефекту для кристалів, що належать до точкових груп симетрій 2, 222, 3, , 3m, та отримано співвідношення для визначення компонент тензора комбінованого пєзоелектрооптичного ефекту в заданих геометріях експерименту для кристалів LINBO3, LITAO3, Pb5Ge3O11, NAKC4H4O6?4H2O [1]

В третьому розділі представлено результати дослідження зміни двозаломлюючих властивостей кристалів LINBO3, LITAO3 внаслідок спільної дії електричного поля та механічного напруження. В цих кристалах проведено дослідження зміни двозаломлення під дією механічного напруження при сталих значеннях напруженості електричного поля та дослідження зміни двозаломлення під дією електричного поля при сталих значеннях механічного напруження. На основі проведених досліджень вперше експериментально виявлено зміну двозаломлюючих властивостей кристалів LINBO3, LITAO3 внаслідок спільної дії електричного поля та механічного напруження.

На прикладі кристалів LINBO3, LITAO3 показано, що пєзоелектрооптичний ефект можна розглядати як зміну компонент тензора пєзооптичного ефекту під дією електричного поля або як зміну компонент тензора електрооптичного ефекту під дією механічного напруження (рис.1). Виявлено, що зміна компонент тензора електрооптичного ефекту під дією механічного напруження та зміна відповідних компонент тензора пєзооптичного ефекту під дією електричного поля описується одними і тими ж коефіцієнтами тензора пєзоелектрооптичного ефекту, тобто комбінований пєзоелектрооптичний ефект є взаємним.

Значення коефіцієнтів пєзоелектрооптичного ефекту, розрахованих із залежностей електрооптичного коефіцієнта від механічного напруження, становлять для кристалів LINBO3 і для кристалів LITAO3. Значення коефіцієнта пєзоелектрооптичного ефекту розрахованого із залежності пєзооптичного коефіцієнта від напруженості електричного поля Е3 для кристалів LINBO3 становить , і для кристалів LITAO3 становить .

В кристалах LINBO3 вперше виявлено, зростання електрооптичного коефіцієнта r22 при дії механічного напруження вздовж кристалофізичної осі Y відповідно (рис.2а). Зокрема, коефіцієнт електрооптичного ефекту r22 зростає приблизно вдвічі під дією механічного напруження ? 2?106 Н/м2, відповідно величина півхвильової напруги зменшується теж вдвічі. Залежність півхвильової напруги від механічного напруження підтверджено нами експериментально, шляхом дослідження пропускання системи поляризатор - кристал - аналізатор під дією електричного поля, при певних сталих значеннях механічного напруження ( рис.2).

В кристалах LINBO3 виявлено також поворот оптичної індикатриси навколо осі Z при спільній дії електричного поля та механічного напруження в напрямку кристалофізичної осі Х та поширенні світла вздовж кристалофізичної осі Z (рис.3). Наявність такого повороту не зумовлена впливом пєзоелектрооптичного ефекту, а лише випливає з рівняння оптичної індикатриси для використаної геометрії експерименту. Величина його залежить як від значення напруженості електричного поля, так і від значення механічного напруження.

В четвертому розділі представлено результати дослідження зміни двозаломлюючих властивостей сегнетоелектричних кристалів Pb5Ge3O11, NAKC4H4O6?4H2O при спільній дії зовнішнього електричного поля або спонтанної поляризації, та механічного напруження в області сегнетоелектричного фазового переходу.

В сегнетоелектричних кристалах, в області сегнетоелектричного фазового переходу, може проявитись ефект зміни двозаломлення під дією механічного напруження та спонтанної поляризації - спонтанний пєзоелектрооптичний ефект. В цьому випадку роль зовнішнього електричного поля відіграє внутрішнє електричне поле кристалу - спонтанна поляризація. Спонтанний комбінований пєзоелектрооптичний ефект може бути виявлений шляхом дослідження залежності коефіцієнтів пєзооптичного ефекту в сегнетоелектричній фазі від спонтанної поляризації.

На основі експериментальних досліджень температурної поведінки пєзооптичних коефіцієнтів в кристалах Pb5Ge3O11 та NAKC4H4O6?4H2O в області фазових переходів, виявлено, що температурна залежність цих коефіцієнтів пропорційна квадрату спонтанної поляризації у випадку сегнетоелектриків Pb5Ge3O11, а в сегнетоелектричних-сегнетоеластичних кристалах NAKC4H4O6?4H2O - залежність ефективного пєзооптичного коефіцієнта від спонтанної поляризації містить як лінійну так і квадратичну складову. Отримана залежність пєзооптичних коефіцієнтів в кристалах Pb5Ge3O11 та NAKC4H4O6?4H2O від спонтанної поляризації пояснюється впливом спонтанного комбінованого пєзоелектрооптичного ефекту. Значення коефіцієнта спонтанного комбінованого пєзоелектрооптичного ефекту для кристалів Pb5Ge3O11 становлять - , а для кристалів NAKC4H4O6?4H2O значення коефіцієнтів лінійного та квадратичного пєзоелектрооптичного ефекту становлять - 2, 2, відповідно [1, 4, 5].

В кристалах Pb5Ge3O11 та NAKC4H4O6?4H2O проведено також дослідження комбінованого пєзоелектрооптичного ефекту індукованого електричним полем та механічним напруженням при кімнатній температурі та в області сегнетоелектричного фазового переходу. Лінійний по електричному полю пєзоелектрооптичний ефект в кристалах Pb5Ge3O11 та NAKC4H4O6?4H2O, при використаній геометрії експерименту, спостерігатиметься тільки в сегнетоелектричній фазі. В параелектричній фазі існує лише квадратичний по електричному полю пєзоелектрооптичний ефект, який нажаль нам виявити не вдалося в звязку з малою величиною ефекту. При кімнатній температурі, комбінований пєзоелектрооптичний ефект індукований зовнішнім електричним полем та механічним напруженням, виявлений лише в кристалі NAKC4H4O6?4H2O. В кристалах Pb5Ge3O11, комбінований пєзоелектрооптичний ефект виявлений в околі фазового переходу, а при кімнатній температурі величина ефекту співмірна з похибкою експерименту.

В кристалах Pb5Ge3O11 та NAKC4H4O6?4H2O в околі температури сегнетоелектричного та сегнетоелектричного - сегнетоеластичного фазового переходу, відповідно, значення коефіцієнта пєзоелектрооптичного ефекту аномально зростає (рис.4, рис.5а).

Показано, що для кристалів Pb5Ge3O11 отримана залежність є лінійною, що свідчить про те, що температурна поведінка коефіцієнта пєзоелектрооптичного ефекту в кристалах Pb5Ge3O11 описується законом Кюрі - Вейса (рис.5). Значення константи Кюрі - Вейса, в кристалах Pb5Ge3O11, отримане з залежності (С=1,22?104К), та із залежності (С=1,21?104К) (рис.5а), узгоджується з значенням отриманим іншими авторами з діелектричних досліджень (С=1,04?104К) / 4*/.

В кристалах NAKC4H4O6?4H2O не вдалось отримати лінійну залежність , у звязку з розмиття фазового переходу під дією зовнішнього електричного поля та механічного напруження, яке проявляється в тому що лінійний по електричному полю пєзоелектрооптичний ефект спостерігається при температурі на кілька градусів вищій ніж температура фазового переходу (рис.4). Однак, оскільки пружні модулі в кристалах NAKC4H4O6?4H2O не змінюються аномально в області фазового переходу / 5*/, то така аномальна поведінка коефіцієнта пєзоелектрооптичного ефекту, як і у випадку кристалів Pb5Ge3O11, повинна бути зумовлена температурною поведінкою діелектричної проникливості і описуватись законом Кюрі-Вейса.

ВИСНОВКИ

Вперше експериментально виявлено пєзоелектрооптичний ефект в кристалах LINBO3, LITAO3, Pb5Ge3O11, NAKC4H4O6?4H2O, який полягає у зміні показників заломлення кристалів при спільній дії електричного поля та механічного напруження. На основі феноменологічного аналізу показано, що білінійний за напруженням електричного поля та механічним напруженням пєзоелектрооптичний ефект, описується полярним тензором пятого рангу з внутрішньою симетрією [V2]2V і тому може існувати лише в ацентричних середовищах.

Показано, що комбінований пєзоелектрооптичний ефект є взаємним, тобто зміна компонент тензора електрооптичного ефекту під дією механічного напруження та зміна відповідних компонент тензора пєзооптичного ефекту під дією електричного поля описується одними і тими ж коефіцієнтами тензора пєзоелектрооптичного ефекту. Експериментально підтверджено взаємність пєзоелектрооптичного ефекту на прикладі кристалів LINBO3, LITAO3. Показано, що коефіцієнти пєзоелектрооптичного ефекту, отримані з залежностей електрооптичного коефіцієнта від механічного напруження та залежностей пєзооптичного коефіцієнта від напруженості електричного поля мають однакове значення як в кристалах LITAO3 так і в кристалах LINBO3. Значення коефіцієнтів становлять: для кристалів LITAO3 та для кристалів LINBO3 відповідно при l=632,8нм, Т=293К.

Експериментально досліджено комбінований пєзоелектрооптичний ефект, білінійний за напруженістю електричного поля та механічним напруженням в кристалах LINBO3. Визначені значення коефіцієнтів тензора даного ефекту при l=632,8нм, Т=293К становлять , . Експериментально показано, що в кристалах LINBO3 значення коефіцієнта лінійного електрооптичного ефектуr22 вдвічі зростає під дією механічного напруження =2?106Н/м2, а відповідне значення півхвильової напруги - удвічі зменшується.

Виявлено, що зміну пєзооптичних коефіцієнтів при власних сегнетоелектричних фазових переходах можна трактувати, як результат комбінованого пєзоелектрооптичного ефекту індукованого спонтанною поляризацією. На основі експериментальних досліджень температурної поведінки пєзооптичних коефіцієнтів в кристалах Pb5Ge3O11 та сегнетової солі в області фазових переходів, показано, що зміна цих коефіцієнтів при Tc пропорційна квадрату спонтанної поляризації у випадку сегнетоелектриків Pb5Ge3O11, а в сегнетоелектричних-сегнетоеластичних кристалах сегнетової солі - залежність ефективного пєзооптичного коефіцієнта від спонтанної поляризації містить як лінійну так і квадратичну складову. Отримане значення коефіцієнта спонтанного комбінованого пєзоелектрооптичного ефекту становить: для кристалів Pb5Ge3O11 - , а для кристалів сегнетової солі коефіцієнти лінійного та квадратичного пєзоелектрооптичного ефекту - 2, 2, відповідно

Досліджено температурну поведінку коефіцієнтів пєзоелектрооптичного ефекту в околі фазових переходів в кристалах Pb5Ge3O11 та NAKC4H4O6?4H2O. Показано, що аномальна поведінка коефіцієнтів індукованого пєзоелектрооптичного ефекту в області сегнетоелектричного фазового переходу в кристалах Pb5Ge3O11 та сегнетоелектричному-сегнетоеластичному фазовому переході (Тс=297К) в кристалах NAKC4H4O6?4H2O зумовлена аномальною поведінкою діелектричної проникливості і описується законом Кюрі-Вейса. Значення константи Кюрі-Вейса, отримане з температурних залежностей пєзоелектрооптичного коефіцієнта в кристалах германату свинцю (С=1,22?104К) узгоджується з значенням отриманим іншими авторами з діелектричних досліджень (С=1,04?104К).

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНІ В РОБОТАХ

1. Vlokh.R.O, Mys O.G. Combined piezoelectrooptical effect of the ferroelectric crystals //Ferroelectrics.-2006.-Vol. 336-P.107-118

2. Vlokh R.O., Mys O. G. Interchangeability of combined piezoelectrooptic effect in LITAO3 and LINBO3 crystals // Ukr. J. Phys. Opt. - 2005.-Vol. 6, №3.- P.99-103

3. Vlokh R.O., Mys O.G. The influence of mechanical stress on electrooptical coefficients r22 and ne3r33-n03r13 in LINBO3 and LITAO3 crystals // Ukr. J. Phys. Opt. - 2003.-Vol. 4, №2.- P.48-51.

4. Vlokh R.O., Mys O.G. Combined piezoelectrooptical effect in Pb5Ge3O11 crystals induced by spontaneous polarization. // Ukr. J. Phys. Opt. - 2001. - Vol.2, №4.- P.187-191.

5. Vlokh R.O., Mys O.G., Kostyrko M. Combined piezoelectrooptic effect in Rochelle Salt at the phase transition. // Ukr. J. Phys. Opt. -2004.-Vol.5, №2.- P.70-75.

6. Vlokh R.O., Mys O.G., Kostyrko M. The temperature behaviour of coefficients of combined piezoelectrooptical effect at the proper ferroelectrical phase transition in Pb5Ge3O11. // Ukr. J. Phys. Opt. - 2002. - Vol.3, №2.- P.277-281.

7. Mys O., Andrushchak A., Vlokh R.O. The combined piezoelectrooptical effect in the Ca2Pb(C2H5CO2)6, K2Cd2(SO4)3 and LITAO3 crystals // Proc. International Meeting on Parametric Optics (PARAOPT 2001).- Lviv (Ukraine), 2001. - P.34.

8. Mys O., Vlokh R., Vlokh O.G. Combined piezoelectrooptical effect in ferroelectrics and ferroelastics (Ca2Pb(C2H5CO2)6, K2Cd2(SO4)3, LITAO3 and Pb5Ge3O11) // Proc. of the 9th International Conference on Electromagnetics of Complex Media (BIANISOTROPICS ’ 2002). - Marrakech (Morocco), 2002. - P.70.

9. Vlokh O., Vlokh R., Mys O., Kaidan M., Andrushchak A. The crossflow piezoelectrooptical effect in the Ca2Pb(C2H5CO2)5 and LITAO3 crystals // Proc. of the 10th International Meeting on Ferroelectricity. - Madrid (Spain), 2001. - P.250.

10. Mys O., Vlokh R., Vlokh O.G. Combined piezoelectrooptical effect in ferroelectrics and ferroelastics (Ca2Pb(C2H5CO2)6, K2Cd2(SO4)3, LITAO3 and Pb5Ge3O11). // Proc. of the VI Ukrainian-Polish and II East-European Meeting on Ferroelectrics Physics (UPEMFP’2002). - Synjak (Ukraine), 2002. - P.35.

11. Mys O., Vlokh R. Combined piezoelectrooptical effect in ferroelectrics and ferroelastics // Proc. the 10th European Meeting on Ferroelectricity (MF 2003). - Cambridge (UK), 2003.- P.238

12. Mys O., Vlokh R. Combined crystalooptical effects in ferroelectrics and ferroelastics // Proc. the 11th International Meeting on Ferroelectricity (IMF 2005). - Iguassu falls (Argentine/Brazil), 2005.

СПИСОК ЦИТОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1*. Желудев И.С., Влох О.Г. Электрооптический эффект в кристаллах //Кристаллография.- 1958.-Т.3, №5.- C. 639.

2*. Влох О.Г. Електрооптична активність кристалів кварцу// УФЖ.-1970.-Т.15, №3.- С.759-763.

3*. N. V. Kukhtarev, V. B. Markov, S. G. Odoulov, M. S. Soskin, and V. L. Vinetskii, ‘‘Holographic storage in electrooptic crystals,’’ Ferroelectrics 22, 949-960 (1979)

4*. Iwasaki H., Miyazawa S., Koizumi H., Sugii K., Niizeki N. Ferroelectric and optical properties of Pb5Ge3O11 and its isomorphous compound Pb5Ge2SIO11// J.Appl. Phys. - 1972. - Vol.43, №12.- P.4907-4914.

5*. Иона Ф., Ширане Д. Сегнтоэлектрические кристалы: Пер.с англ.- М.: Мир, 1979. -432 с.