层状压电/弹光复合材料电光效应研究

【摘要】：电光效应可以用于对光波的强度、相位、偏振、频率和传播方向等的控制,已被广泛应用于光开关、光调制器、双稳态器件、空间光调制器及光波导等元件对于现有的有机电光晶体或无机电光聚合物薄膜,由于存在电光系数小、加工困难或者化学稳定性和极化取向稳定性不高等缺点,开发和研究具有强电光效应的新型材料成为一个极有意义的方向。本文将具有电致伸缩效应的铁电材料与具有应力双折射效应的光学材料相结合,通过应力的耦合制备出一种新型的复合电光介质,结构简单并且易于制备,为开发高性能的电光材料开辟了一条新途径。由于层状电光复合介质利用了电致伸缩和应力双折射效应的乘积效应,能通过灵活的选材获得理想的电光性质,预计将在调制器和传感器等领域有着广泛的应用。 影响层状复合电光介质电光性质的因素很多,如各组元的电致伸缩和应力双折射性能、体积分数及界面耦合状态,因此需要建立一定的理论模型对其电光性质的变化规律进行研究。本文基于电致伸缩相与应力双折射相的本构方程,应用弹性力学模型,介绍了如何推导自由状态的双层和三层电光复合介质静态横向电光系数。并采用相应的材料参数计算了Pb(Zr,Ti)O3-Polycarbonate (PZT-PC)及PZT-PC-PZT三层电光复合介质中的电光系数,具体分析了其与应力双折射相的厚度、宽长比d1/d3或体积分数、调制电压E以及光源波长间的关系。分析结果表明：电致伸缩相的压电应变系数d31、应力双折射相的应力光学系数、合适的体积分数与良好的界而耦合是影响其电光性质的关键因素。文中研究的复合电光材料的电光效应是通过应力耦合产生的乘积效应,在理论上运用圣维南原理详细讨论了应力的梯度效应及其对电光系数的影响,这是首次对复合材料因应力耦合产生的梯度效应作定量分析,对其他复合材料的乘积效应比如磁电效应有一定的借鉴意义。 由于电致伸缩相的场致应变曲线具有电滞性质,使得在实验中复合介质的电光效应具有双值性,即同一个电场强度对应两个不同的透射率值,有希望用于制作双稳态器件。对应力双折射相PC而言,恰当的退火处理与合适的高度都将影响复合介质电光性质的均匀性,实验发现选择1.51nm的高度既可保证制备方便又能得到稳定的电光性质。对于3mm厚度的PZT-PC-PZT介质,宽长比在0.15到0.5范围时电光系数γ在23-29pm/v之间,这一数值大约是LiNb03的静电场横向光学系数γ22=6.8pm/ν的4倍。 本实验中的层状复合介质高频下的电光系数γs要远大于静态电光系数,当调制频率在20khz-1.5Mhz时达到100-250pm/ν,这与通常电光材料的性质恰恰相反,可以更好的应用于光调制和电压信号的检测等,具有很大的意义。我们分析这种电光性质高频下的增大效应的原因可能与介质谐振有关,并据此提出了通过改变电致伸缩相的尺寸来提高复合电光介质的工作频率上限的方法。