Электрооптические материалы

Для эффективного использования оптического излучения лазеров и других генераторов света необходимо управлять этим излучением. Для изменения основных параметров излучения (амплитуды, частоты, фазы, вектора поляризации и управления световым лучом) используют специальные устройства – модуляторы [Модуляция (от лат. modulatio – мерность, размерность) – изменение какого-либо параметра периодических колебаний высокой частоты (механических, электрических и т.д.) под воздействием других колебаний существенно более низкой (модулирующей) частоты. Модуляция по виду делится на амплитудную, частотную, фазовую, импульсную, широтную и др.] лазерного излучения, которые изготавливают из материалов, обладающих электрооптическим эффектом.

Электрооптический эффект заключается в изменении показателей преломления диэлектрика под воздействием электрического поля. Зависимость показателей преломления от напряженности электрического поля может быть линейной и квадратичной. Следовательно, электрооптические материалы подразделяются на материалы с линейным электрооптическим эффектом и с квадратичным электрооптическим эффектом.

Для характеристики электрооптического эффекта используют специальный параметр – полуволновое напряжение U_λ/2, представляющий собой прикладываемое напряжение, при котором фаза выходящего из кристалла света изменяется на 180°. Значение U_λ/2 для различных диэлектриков может составлять от единиц до десятков киловольт и зависит от длины волны света. Чем меньше значение U_λ/2, тем проще с помощью этого диэлектрика управлять параметрами светового излучения.

Материалы с линейным электрооптическим эффектом. Линейным электрооптическим эффектом обладают кристаллы, не имеющие центра симметрии.

Кристаллы, используемые в качестве модуляторов лазерного излучения, должны удовлетворять следующим требованиям:

- оптическая однородность, особенно в рабочем диапазоне температур;

- малое полуволновое напряжение U_λ/2;

- хорошие электрические характеристики в рабочем интервале частот и температур;

- устойчивость к действию лазерного излучения и факторов окружающей среды;

- технологичность.

Промышленное применение нашли дигидрофосфат KH₂PO₄, дидейтерофосфат KD₂PO₄, ниобат лития LiNbO₃, танталат лития LiTaO₃. Дигидрофосфат KH₂PO₄ и дидейтерофосфат KD₂PO₄ выращивают из растворов и получают мягкие водорастворимые кристаллы больших размеров и высокого оптического качества. Они стойки к лазерному излучению, пропускают и модулируют без повреждения световые потоки плотностью свыше 3 ∙ 10¹² Вт/м². Однако элементы этих кристаллов требуют специальных мер защиты при эксплуатации. Рабочие напряжения модуляторов из KD₂PO₄ ниже, чем из KH₂PO₄, но KD₂PO₄ дороже.

Выращиваемые из расплавов кристаллы из ниобата лития LiNbO₃ и танталата лития LiTaO₃ по сравнению с KH₂PO₄ и KD₂PO₄ более устойчивы к воздействиям внешней среды при эксплуатации, требуют меньше управляющих напряжений. Однако размеры получаемых кристаллов меньше, и они оптически менее однородны, что ограничивает рабочие апертуры [Действующие отверстия оптического прибора, определяемые размерами линз или диафрагмой (от лат. apertus – открытый)] устройств. Ниобат и танталат лития непрозрачны для ультрафиолетовой области и нестойки к лазерному излучению.

Материалы с квадратичным электрооптическим эффектом. Квадратичным электрооптическим эффектом обладают кристаллы, имеющие центр симметрии, и изотропные среды (например, жидкости). Среди жидкостей с Квадратическим электрооптическим эффектом следует отметить нитробензол, сероуглерод и др.

В качестве электрооптического материала используют оптически прозрачную сегнетокерамику. Обычная керамика непрозрачна. Если для получения керамики использовать горячее прессование, то можно получить плотную, беспористую и прозрачную, как стекло, сегнетокерамику, которая обладает электрооптическими свойствами. Таким способом изготавливают оптически прозрачную сегнетокерамику системы ЦТСЛ

Pb(Zr_xTi_1-х)O₃ + y La₂O₃, где x показывает относительное содержание атомов Zr, y – относительное содержание молекул оксида лантана. В зависимости от состава компонентов в системе ЦТСЛ может наблюдаться линейный электрооптический эффект и ярко выраженный квадратичный эффект. Сегнетооптические материалы ЦТСЛ обладают низкой коэрцитивной силой и прямоугольной петлей гистерезиса, поэтому применимы в электрооптических запоминающих устройствах. Если к образцу приложить электрическое поле, происходит изменение показателей преломления, которое сохраняется и после снятия поля благодаря тому, что в образце сохраняется остаточная поляризация.

Материалы с динамическим электрооптическим эффектом рассеяния света. Динамическим эффектом рассеяния света обладают материалы, у которых под воздействием внешнего электрического поля непрерывно хаотично изменяется показатель преломления диэлектрика. Эти материалы составляют особый класс электрооптических материалов, жидкокристаллическое состояние которых было открыто в 1888 г.

Жидкокристаллическое состояние – это термодинамически устойчивое агрегатное состояние, при котором вещество находится в промежуточном состоянии между твердым кристаллом и жидкостью и сохраняет анизотропию физических свойств твердых кристаллов и текучесть жидкостей. Жидкокристаллическое состояние существует лишь в определенном интервале температур между точкой кристаллизации и точкой превращения вещества в изотропную жидкость. При понижении температуры жидкий кристалл переходит в твердое состояние, а при повышении – превращается в изотропную жидкость.

Жидкие кристаллы образуются органическими соединениями, молекулы которых обычно имеют удлиненную палочкообразную форму. По структуре жидкие кристаллы подразделяются на нематические, смектические и холестерические.

Рисунок 4.6 – Структуры жидких кристаллов:

а – нематических; б – смектических; в – холестерических.

Нематические жидкие кристаллы получили название от слова «немос», что в переводе с греческого означает нить (рисунок 4.6, а). Они обладают следующими свойствами:

удлиненные молекулы имеют сильно вытянутую нитевидную конфигурацию;

в равновесном состоянии молекулы ориентируются преимущественно вдоль оптической оси кристалла;

межмолекулярные силы взаимодействия очень слабы, что позволяет легко изменять структуру жидкого кристалла, ориентируя молекулы под влиянием внешних воздействий (температуры, электрического и магнитного поля, давления и т.д.);

оптическая и электрическая анизотропия, т.е. значения показателя преломления, диэлектрической и магнитной проницаемости, удельного сопротивления, вязкость и другие параметры в направлении вдоль больших осей молекулы и перпендикулярно ему различны.

Рисунок 4.7 – Индикатор на жидких кристаллах:

1 – стеклянные пластины; 2 – жидкий кристалл; 3 – прозрачный электрод; 4 – зеркальный электрод.

Под действием слабого электрического поля оси молекул с высокой диэлектрической проницаемостью ε ориентируются параллельно полю. При достижении напряжением электрического поля некоторого порогового значения устойчивая доменная структура разрушается и возникает ячеистая. Появляется гидродинамическое течение. При дальнейшем повышении напряжения течение в жидкости становится турбулентным [(от лат. turbulentus - беспорядочный) течение жидкости или газа, при котором происходит сильное перемещение движущейся жидкости (в отличие от ламинарного течения)], а вещество оптически неоднородным. Прозрачный в исходном состоянии жидкий кристалл в таком неупорядоченном состоянии становится мутным, как матовое стекло, и рассеивает свет во всех направлениях. После снятия электрического поля эффект динамического рассеяния исчезает. Поле может быть постоянным и переменным с низкой частотой (до 10²÷10⁴ Гц в зависимости от материала). Время, за которое устанавливается состояние динамического рассеяния, составляет 1÷10 мс, а время, за которое оно исчезает после снятия электрического поля – 20÷200 мс. Время установления и исчезновения состояния динамического рассеяния характеризует быстродействие жидкокристаллических материалов. У индивидуальных жидкокристаллических соединений быстродействие выше, чем у смесей. Оно повышается с увеличением напряжения электрического поля.

Способность жидких кристаллов изменять интенсивность проходящего через них света под действием электрического поля используют в устройствах оптической обработки информации, устройствах отображения информации, например в малогабаритных устройствах с питанием от батареек – наручных часах, микрокалькуляторах др.

Жидкокристаллическая ячейка для построения буквенно-цифрового индикатора [(от лат. indicator - указатель) Прибор, устройство, элемент, отображающий ход процесса или состояние объекта наблюдений, его качественные или количественные характеристики (например, время, расход жидкости, расстояние и др.)], в которой используют эффект динамического рассеяния, состоит из двух стеклянных пластинок. На внутреннюю поверхность одной из пластинок наносят тонкий прозрачный слой электрода, а на внутреннюю поверхность другой пластины – тонкий слой зеркального электрода. Промежуток между стеклами, который составляет примерно 5÷50 мкм, заполняют жидким кристаллом, а по периметру герметизируют. При подаче порогового напряжения (обычно 8÷50 В) молекулы жидкости в пространстве между электродами начинают вращаться и рассеивать падающий свет. Через прозрачный электрод виден яркий рисунок, нанесенный в виде букв, цифр или других знаков (рисунок 4.7).

Жидкие кристаллы имеют довольно высокое удельное электрическое сопротивление, поэтому потребляемая ячейкой мощность не превышает 1 Вт/м², газоразрядный и люминофорный индикаторы потребляют 10³ Вт/м², светодиоды – 10⁵ Вт/м².

Жидкокристаллические индикаторы не только самые простые и дешевые, но и самые экономичные. В качестве нематических жидких кристаллов используют органические соединения азометины, сложные ароматические эфиры, а также их эвтектические [Эвтектика (от греч. eutektos – легко плавящийся) – тонкая смесь твердых веществ, одновременно выкристаллизовывающихся из расплава при температуре более низкой, чем температура плавления отдельных компонентов.] смеси.

Смектические жидкие кристаллы получили свое название от слова «смектос», что в переводе с греческого означает мыло.

В смектических жидких кристаллах параллельно ориентированные молекулы упакованы в слои (рисунок 4.6, б), поэтому имеют большую степень упорядоченности. Слоистая упаковка молекул создает анизотропию не только оптических, но и механических свойств, так как слои легко смещаются относительно друг друга. Некоторые жидкие кристаллы могут находиться в нематической и смектической фазах. При этом смектическая фаза расположена по температуре ближе к твердой фазе, чем нематическая. Например n -гептилоксибензойная кислота до температуры 92°С представляет собой твердый кристалл, в интервале температур 92÷98°С она существует как смектический жидкий кристалл, в интервале температур 98÷146°С – как нематический жидкий кристалл, а при температуре выше 146°С переходит в изотропную жидкость.

Холестерические жидкие кристаллы получили свое название от слова «холестерин», что в переводе с греческого означает желчь.

В холестерических жидких кристаллах пластинчатые молекулы также укладываются в слои, но они выстраиваются по пространственной спирали, поэтому их ориентировка плавно меняется от слоя к слою (рисунок 4.6, в).

Используют изменение оптических свойств холестерических жидких кристаллов при тепловом воздействии. К ним относятся в основном соединения холестеринов, т.е. полициклических спиртов растительного и животного происхождения из группы стеринов [(от греч. stereos – твердый) Органические вещества, содержащиеся в большинстве растений и животных в свободном виде (эргостерин, холестерин) либо в виде сложных эфиров с жирными кислотами].