Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 1 Elektrooptische Keramik Elektrische und magnetische...

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6. Elektrooptische Werkstoffe

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Elektrooptische Keramik

Elektrische und magnetische Felder induzieren Veränderungen in den optischen dielektrischen Koeffizienten ij und im Brechungsindex nij eines Materials. Dadurch wird die Lichtausbreitung im Material beeinflusst.

Elektrooptische Werkstoffe sind geeignet, elektrische Information in optische umzuwandeln.

Einkristalle: . LiNbO3, LiTaO3

Keramiken: PLZT

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Brechung und Dispersion

Der Brechungsindex n ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c zu der Geschwindigkeit im untersuchten Material cM:

n = c / cM

n variiert je nach Medium von 1 (Luft) bis zu etwa 4 (PbS, Sb2S3).

Die Brechungsindizes einiger Glassorten in Abhängigkeit der Lichtwellenlänge (Dispersion).

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Isotrope und anisotrope optische Werkstoffe

Isotrope Medien:

- Gase- Flüssigkeiten- amorphe Feststoffe (Glas)- kubische Kristalle

Anisotrope Medien:

- uniaxal: rhombische, hexagonale und tetragonale Kristalle

- biaxial: orthorhombische, monokline und trikline Kristalle

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Doppelbrechung in anisotropen optischen Werkstoffen

Der Brechungsindex ist für beide Strahlen unterschiedlich (no, ne) und die Doppelbrechung n ist die Differenz der beiden Brechungsindices n = ne - no und kann negative oder positive Werte annehmen.

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Doppelbrechung im Kalzit (CaCO3)Beispiel für einen uniaxialen Kristall ist Kalzit CaCO3. In Richtungen, die verschieden sind von der optischen Achse, entsteht eine Doppelbrechung.

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Nichtlineares VerhaltenFür lineare Dielektrika wurde ein linearer Zusammenhang zwischen der Polarisation P und dem elektrischen Feld E angenommen, also

P = e 0 E

D = 0 E + e 0 E = (1+e) 0 E = E

(Di = ij Ej )

der Brechungsindex n ist über r =n2 mit r verbunden.

Die Permittivität hängt tatsächlich von einem an das Material angelegten Gleichfeld ab und damit auch der Brechungsindex.

n = n0 + a E0 + b E02 + ...

D (oder )

EE0

Feldstärke einer optischen Welle

Vorpolarisation

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zentrosymmetrisches Material: a = 0

n = n0 + a E0 + b E02 + ...

n = n0 + b E02 + d E0

4 +

nicht – zentrosymmetrisches Material: a 0

n = n0 + a E0 + b E02 + c E0

3 + ...quadratischen Kerr-Effekt und linearen Pockels-Effekt

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Der Kerr-Effekt

Flüssigkeiten, Gläser und isotrope Kristalle (kubisch) z.B. BaTiO3 bei T > Tc (kubisch, m3m, n = 2.42) zeigen einen quadratischen elektro-optischen Effekt, bei dem die Brechungsindexänderungen proportional zum Quadrat des angelegten elektrischen Feldes sind. Hier ist keine spontane Polarisation notwendig

n = ne - no BE2 R. E2 (6.7)

n = Doppelbrechung = Wellenlänge des Lichtes [m] E = el. Feldstärke [V/m] B = Kerr-Konstante [m/V2]

R = B. = absolute Kerr-Konstante [m2/V2]

KNb0.35Ta0.65O3 (KTN) mit einer Curietemperatur von 10°C, n = 2,28, r (22oC) von 2,4.104 und R = 2.10-16 m2/V2. Ein Feld von 106 V/m (1 V pro 1mm) erzeugt eine Doppelbrechung n = 10-3

Für grosse Kerr-Effekte verwendet man daher Ferroelektrika oberhalb der Curietemperatur (isotrop). Die Hauptanwendung von Kerr-Zellen sind Schalter für kurze Lichtimpulse.

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Der Pockels-Effekt Der lineare elektrooptische Effekt tritt nur in nicht zentrosymmetrischen, d.h. piezoelektrischen Kristallen auf und wird vom quadratischen Kerr-Effekt (RE2) stets begleitet

n = ne - no (rE + RE2 )

E = el. Feldstärke [V/m]

r = linearer elektrooptischer Koeffizient [m/V]

R = quadratischer elektrooptischer Koeffizient [m2/V2]

hohe lineare elektrooptische Koeffizienten (Pockels), die den Kerr-Effekt weit überwiegen, findet man in ferroelektrischen Perowskiten (BaTiO3, LiNbO3, KTN).

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PLZT(PbZrO3/PbTiO3-Mischkristalle dotiert mit 0 - 30 at% La) zeigen n-Werte von 0 bis 0.02. Dies ist wenig im Vergleich mit einigen Werten (0.3) von natürlichen Einkristallen. Da diese Verzerrung der Einheitszelle klein (<1%) ist, lässt sie auch eine leichte Umorientierung der ferroelektrischen Domänen zu

Phasenverzögerung in elektro-optischer Keramik (offener Zustand bei Halbwellenspannung)

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LichtschalterDie Verzögerung ist gegeben durch den Unterschied der Brechungsindizes und der Lauflänge (t). Der Unterschied im Brechungsindex (n) kann über das angelegte elektrische Feld geändert werden, somit auch die Verzögerung

= n t

Phasenverzögerung ist ein Produkt der elektrisch gesteuerten Doppelbrechung n und der Materialdicke t. Bei genü-gend hoher Spannung (Halbwellenpotential) wird eine Verzögerung der einen Wellenkomponente relativ zu den anderen um eine halbe Wellenlänge /2 erreicht. Dies resultiert in einer Drehung der Polari-sationsebene um 90°. Mit zwei gekreuzten Polarisatoren kann ein Lichtschalter verwirklicht werden

Bei einer Verzögerung um n /2 bleibt eine lineare Polarisation des Lichtes bestehen. Eine Verzögerung um n /4 produziert eine zirkulare (kreisförmige) Polarisation, um n /8 eine eliptische Polarisation

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Bei einer Verzögerung um n /2 bleibt eine lineare Polarisation des Lichtes bestehen.

Eine Verzögerung um n /4 produziert eine zirkulare (kreisförmige) Polarisation,

um n /8 eine eliptische Polarisation

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Wechselwirkung von PLZT mit polychromatischen Licht

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Wechselwirkung von PLZT mit polychromatischen Licht

Optische Transmissionskurven eines typischen Lichtfilters als Funktion angelegter Spannung. Die bei verschiedenen Spannungen beobachtete Farben sind mit Dreiecken markiert

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Werkstoffe

Ferroelektrika auf der Basis des Blei-Zirkonat-Titanates (PZT), insbesondere des Blei-Lanthan-Zirkonat-Titanat (PLZT)

Composition Notation Reference

(Pb, La) (Zr, Ti)O3 PLZT Haertling and Land (1971)

(Pb, La) (Hf, Ti)O3 PLHT Cutchen and Haertling (1973)

(Pb, Ba, Sr) (Zr, Ti)O3 PBSZT Miyauchi and Toda (1975)

(Pb, Sn) (In, Zr, Ti)O3 PSIZT Hayashi et al. (1976)

(Pb, Ba, La)Nb2O6 PBLN Yokosuka (1977)

(Pb, La) (Zn, Nb, Zr, Ti)O3 PBLNZT Nagata et al. (1977)

K(Ta, Nb)O3 KTN Debely et al. (1979)

Pb(Sc, Nb)O3 PSN Sternberg et al. (1981)

(Pb, La) (Mg, Nb, Zr, Ti)O3 PLMNZT Kawashima et al. (1982)

(Ba, La) (Ti, Nb)O30 BLTN Gutu-Nelle et al. (1983)

(Pb, La, Li) (Zr, Ti)O3 PLLZT Masuda (1985)

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Elektrooptische Koeffizienten ausgewählter Keramiken

R = Kerrkonstanterc = linearopt. Koeffizient.

Composition La/Zr/Ti

R (x 1016 m2/V2)

rc (x 1010 m/V)

8.5/65/35 38.60 - 9/65/35 3.80 -

9.5/65/35 1.50 - 10/65/35 0.80 - 11/65/35 0.32 - 12/65/35 0.16 - 8/40/60 - 1.0 12/40/60 - 1.2

KTN (65/35) 0.17 - LiNbO3 - 0.17

KDP - 0.52 SBN - 2.10

LiTaO3 - 0.22

Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3 !!!!!!

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PbTiO3 (PT) - PbZrO3 (PZ) - La2O3

(FE = ferroelektrisch, PE = paraelektrisch, AFE = antiferroelektrisch)

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PLZT

Die besten Eigenschaften für elektrooptische Werkstoffe findet man an der Phasengrenze rhomboedrisch-tetragonal bei ca. 6 % La.Die tetragonalen Keramiken sind "hart" (hohe Koerzitivfelder), die rhomboedrischen dagegen "weich" (tiefe Koerzitivfelder). Die ferroelektrische PLZT-Keramik (n = 2.5, n = 0 bis 0.018) ist vor dem Polen isotrop (n = 0) und zeigt sich erst nach dem Polen doppelbrechend (n 0).

Die isotrope, kubische Phase wird unter dem Einfluss elektrischer Felder optisch doppelbrechend, beim Abschalten des Feldes wieder isotrop.

tet

rm

orth

c

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Transparente PLZT-Keramik

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Elektrooptische Anwendungen

Der quadratische Effekt: Hier benutzt man Zusammensetzungen nahe der ferroelektrischen rhomboedrisch-tetragonalen Phasengrenze (z.B. 9/65/35). Bei Raumtemperatur ist das Material fast kubisch, unter einem E-Feld wird aber der Übergang zur romboedrischen oder tetragonalen Symmetrie induziert und die optische Anisotropie ist proportional zu E2.

tetrm

orth

c

Der quadratische Effekt

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Der lineare Effekt Dies sind Zusammensetzungen, welche den linearen Effekt ( Pockels-Effekt) zeigen.

(PbTiO3-reiche Werkstoffe der SS im Ft-Gebiet, nicht im C-Gebiet). Hohe Gehalte an PbTiO3 sorgen für tetragonale Symmetrie mit hoher Koerzitivfeldstärke

tetrm

orth

c

Der lineare Effekt

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Der Gedächtnis-Effekt

Hier werden typischerweise Zusammensetzungen verwendet wie 8/65/35 mit ca. 2 m Korngrösse und es wird eine hohe remanente Polarisation angestrebt

tetrm

orth

c

PR

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Anwendungsmöglichkeiten elektrooptischer PLZT-Keramik

a) quadratisch (z.B. kub. Phase)b) linearc) Memory-Effekt

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Lichtschalter

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Fericon Bilddisplay(A) Aufbau des Displays

(B) Oberflächendeformation

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Wave Guides, Modulators and Switches

Optische Phasenverschiebung Optischer Modulator

Optisch gekoppelter Schalter Optischer Bragg-Schalter

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Zusammenfassung

• Bei höheren Feldern können die Glieder höherer Ordnung des Brechungsindex nicht mehr vernachlässigt werden.

• zwei elektrooptische Effekte: der quadratische Kerr-Effekt, bei dem die Brechungsindexänderung proportional zum Quadrat des angelegten elektrischen Feldes ist, und der lineare Pockels-Effekt, der nur in piezoelektrischen Kristallen auftritt.

• Der Prototyp für Doppelbrechung ist der Kalzit (CaCO3).

• Als keramischer elektrooptischer Werkstoff wird insbesondere das Blei-Lanthan-Zirkonat-Titanat (PLZT) verwendet.

• Voraussetzung für die Verwendung von polykristallinen, ferro-elektrischen, keramischen Werkstoffen als optische Elemente ist ihre Transparenz (Processing!).

• Die Brechung des Lichts in PLZT ist abhängig vom angelegten Feld, aber auch von der Wellenlänge (Farbe) des Lichtes. Daher lassen sich Farbfilter konstruieren.

• Lichtstreuung wird eingeführt durch Anlegen eines Feldes an kubisches PLZT, in welchem dann Domänen (Polarisation) erzeugt werden (Lichtschalter, quadratischer Effekt).

• Aus PLZT-Keramiken können modulierte Wellenleiter, Farbfilter, Lichtschalter und Bildspeicher hergestellt werden.

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