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Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 1 Elektrooptische Keramik Elektrische und magnetische Felder induzieren Veränderungen in den optischen dielektrischen.

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1 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 1 Elektrooptische Keramik Elektrische und magnetische Felder induzieren Veränderungen in den optischen dielektrischen Koeffizienten ij und im Brechungsindex n ij eines Materials. Dadurch wird die Lichtausbreitung im Material beeinflusst. Elektrooptische Werkstoffe sind geeignet, elektrische Information in optische umzuwandeln. Einkristalle:. LiNbO 3, LiTaO 3 Keramiken: PLZT

2 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 2 Brechung und Dispersion Der Brechungsindex n ist das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c zu der Geschwindigkeit im untersuchten Material c M : n = c / c M n variiert je nach Medium von 1 (Luft) bis zu etwa 4 (PbS, Sb 2 S 3 ). Die Brechungsindizes einiger Glassorten in Abhängigkeit der Lichtwellenlänge (Dispersion).

3 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 3 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

4 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 4 Doppelbrechung in anisotropen optischen Werkstoffen Der Brechungsindex ist für beide Strahlen unterschiedlich (n o, n e ) und die Doppelbrechung n ist die Differenz der beiden Brechungsindices n = n e - n o und kann negative oder positive Werte annehmen.

5 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 5 Doppelbrechung im Kalzit (CaCO 3 ) Beispiel für einen uniaxialen Kristall ist Kalzit CaCO 3. In Richtungen, die verschieden sind von der optischen Achse, entsteht eine Doppelbrechung.

6 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 6 Nichtlineares Verhalten Für 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 (D i = ij E j ) der Brechungsindex n ist über r =n 2 mit r verbunden. Die Permittivität hängt tatsächlich von einem an das Material angelegten Gleichfeld ab und damit auch der Brechungsindex. n = n 0 + a E 0 + b E D (oder ) EE0E0 Feldstärke einer optischen Welle Vorpolarisation

7 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 7 zentrosymmetrisches Material: a = 0 n = n 0 + a E 0 + b E n = n 0 + b E d E nicht – zentrosymmetrisches Material: a 0 n = n 0 + a E 0 + b E c E quadratischen Kerr-Effekt und linearen Pockels-Effekt

8 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 8 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 KNb 0.35 Ta 0.65 O 3 (KTN) mit einer Curietemperatur von 10°C, n = 2,28, r (22 o C) von 2, und R = m 2 /V 2. Ein Feld von 10 6 V/m (1 V pro 1mm) erzeugt eine Doppelbrechung n = Für grosse Kerr-Effekte verwendet man daher Ferroelektrika oberhalb der Curietemperatur (isotrop). Die Hauptanwendung von Kerr-Zellen sind Schalter für kurze Lichtimpulse.

9 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 9 Der Pockels-Effekt Der lineare elektrooptische Effekt tritt nur in nicht zentrosymmetrischen, d.h. piezoelektrischen Kristallen auf und wird vom quadratischen Kerr-Effekt (RE 2 ) stets begleitet n = n e - n o (rE + RE 2 ) E = el. Feldstärke [V/m] r = linearer elektrooptischer Koeffizient [m/V] R = quadratischer elektrooptischer Koeffizient [m 2 /V 2 ] hohe lineare elektrooptische Koeffizienten (Pockels), die den Kerr-Effekt weit überwiegen, findet man in ferroelektrischen Perowskiten (BaTiO 3, LiNbO 3, KTN).

10 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 10 PLZT (PbZrO 3 /PbTiO 3 -Mischkristalle dotiert mit at% La) zeigen n-Werte von 0 bis 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)

11 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 11 Lichtschalter Die 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

12 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 12 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

13 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 13 Wechselwirkung von PLZT mit polychromatischen Licht

14 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 14 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

15 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 15 Werkstoffe Ferroelektrika auf der Basis des Blei-Zirkonat-Titanates (PZT), insbesondere des Blei-Lanthan- Zirkonat-Titanat (PLZT) CompositionNotationReference (Pb, La) (Zr, Ti)O 3 PLZTHaertling and Land (1971) (Pb, La) (Hf, Ti)O 3 PLHTCutchen and Haertling (1973) (Pb, Ba, Sr) (Zr, Ti)O 3 PBSZTMiyauchi and Toda (1975) (Pb, Sn) (In, Zr, Ti)O 3 PSIZTHayashi et al. (1976) (Pb, Ba, La)Nb 2 O 6 PBLNYokosuka (1977) (Pb, La) (Zn, Nb, Zr, Ti)O 3 PBLNZTNagata et al. (1977) K(Ta, Nb)O 3 KTNDebely et al. (1979) Pb(Sc, Nb)O 3 PSNSternberg et al. (1981) (Pb, La) (Mg, Nb, Zr, Ti)O 3 PLMNZTKawashima et al. (1982) (Ba, La) (Ti, Nb)O 30 BLTNGutu-Nelle et al. (1983) (Pb, La, Li) (Zr, Ti)O 3 PLLZTMasuda (1985)

16 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 16 Elektrooptische Koeffizienten ausgewählter Keramiken R = Kerrkonstante r c = linearopt. Koeffizient. Pb 1-x La x (Zr y Ti 1-y )O 3 !!!!!!

17 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 17 PbTiO 3 (PT) - PbZrO 3 (PZ) - La 2 O 3 (FE = ferroelektrisch, PE = paraelektrisch, AFE = antiferroelektrisch)

18 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 18 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

19 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 19 Transparente PLZT-Keramik

20 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 20 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 E 2. tet rm orth c Der quadratische Effekt

21 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 21 Der lineare Effekt Dies sind Zusammensetzungen, welche den linearen Effekt ( Pockels-Effekt) zeigen. (PbTiO 3 -reiche Werkstoffe der SS im F t -Gebiet, nicht im C-Gebiet). Hohe Gehalte an PbTiO 3 sorgen für tetragonale Symmetrie mit hoher Koerzitivfeldstärke tet rm orth c Der lineare Effekt

22 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 22 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 tet rm orth c PRPR

23 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 23 Anwendungsmöglichkeiten elektrooptischer PLZT-Keramik a) quadratisch (z.B. kub. Phase) b) linear c) Memory-Effekt

24 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 24 Lichtschalter

25 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 25 Fericon Bilddisplay (A) Aufbau des Displays (B) Oberflächendeformation

26 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 26 Wave Guides, Modulators and Switches Optische Phasenverschiebung Optischer Modulator Optisch gekoppelter Schalter Optischer Bragg-Schalter

27 Ceramics II 6. Elektrooptische Werkstoffe 27 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 (CaCO 3 ). 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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