層狀壓電-彈光復合材料電光效應(yīng)研究.pdf

1、電光效應(yīng)可以用于對光波的強度、相位、偏振、頻率和傳播方向等的控制,己被廣泛應(yīng)用于光開關(guān)、光調(diào)制器、雙穩(wěn)態(tài)器件、空間光調(diào)制器及光波導等元件。對于現(xiàn)有的有機電光晶體或無機電光聚合物薄膜,由于存在電光系數(shù)小、加工困難或者化學穩(wěn)定性和極化取向穩(wěn)定性不高等缺點,開發(fā)和研究具有強電光效應(yīng)的新型材料成為一個極有意義的方向。本文將具有電致伸縮效應(yīng)的鐵電材料與具有應(yīng)力雙折射效應(yīng)的光學材料相結(jié)合,通過應(yīng)力的耦合制備出一種新型的復合電光介質(zhì),結(jié)構(gòu)簡單并且易于

2、制備,為開發(fā)高性能的電光材料開辟了一條新途徑。由于層狀電光復合介質(zhì)利用了電致伸縮和應(yīng)力雙折射效應(yīng)的乘積效應(yīng),能通過靈活的選材獲得理想的電光性質(zhì),預(yù)計將在調(diào)制器和傳感器等領(lǐng)域有蓿廣泛的應(yīng)用。
　　 影響層狀復合電光介質(zhì)電光性質(zhì)的因素很多,如各組元的電致伸縮和應(yīng)力雙折射性能、體積分數(shù)及界面耦合狀態(tài),因此需要建立一定的理論模型對其電光性質(zhì)的變化規(guī)律進行研究。本文基于電致伸縮相與應(yīng)力雙折射相的本構(gòu)方程,應(yīng)用彈性力學模型,介紹了如何推導自

3、由狀態(tài)的雙層和三層電光復合介質(zhì)靜態(tài)橫向電光系數(shù)。并采用相應(yīng)的材料參數(shù)計算了Pb(Zr,Ti)O3-Polycarbonate(PZT-PC)及PZT-PC-PZT三層電光復合介質(zhì)中的電光系數(shù),具體分析了其與應(yīng)力雙折射相的厚度、寬長比d1／d3或體積分數(shù)、調(diào)制電壓E以及光源波長間的關(guān)系。分析結(jié)果表明:電致伸縮相的壓電應(yīng)變系數(shù)d31、應(yīng)力雙折射相的應(yīng)力光學系數(shù)、合適的體積分數(shù)與良好的界面耦合是影響其電光性質(zhì)的關(guān)鍵因素。文中研究的復合電光材料

4、的電光效應(yīng)是通過應(yīng)力耦合產(chǎn)生的乘積效應(yīng),在理論上運用圣維南原理詳細討論了應(yīng)力的梯度效應(yīng)及其對電光系數(shù)的影響,這是首次對復合材料因應(yīng)力耦合產(chǎn)生的梯度效應(yīng)作定量分析,對其他復合材料的乘積效應(yīng)比如磁電效應(yīng)有一定的借鑒意義。
　　 由于電致伸縮相的場致應(yīng)變曲線具有電滯性質(zhì),使得在實驗中復合介質(zhì)的電光效應(yīng)具有雙值性,即同一個電場強度對應(yīng)兩個不同的透射率值,有希望用于制作雙穩(wěn)態(tài)器件。對應(yīng)力雙折射相PC而言,恰當?shù)耐嘶鹛幚砼c合適的高度都將影響

5、復合介質(zhì)電光性質(zhì)的均勻性,實驗發(fā)現(xiàn)選擇1.5mm的高度既可保證制備方便又能得到穩(wěn)定的電光性質(zhì)。對于3mm厚度的PZT-PC-PZT介質(zhì),寬長比在0.15到0.5范圍時電光系數(shù)γ在23—29pm／v之間,這一數(shù)值大約是LiNbO3的靜電場橫向光學系數(shù)γ22=6.8pm／v的4倍。
　　 本實驗中的層狀復合介質(zhì)高頻下的電光系數(shù)γS要遠大于靜態(tài)電光系數(shù),當調(diào)制頻率在20khz-1.5Mhz時達到100-250pm／v,這與通常電光材料