層狀壓電-彈光復合材料電光效應研究.pdf

1、電光效應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的鐵電材料與具有應力雙折射效應的光學材料相結(jié)合,通過應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力雙折射效應的乘積效應,能通過靈活的選材獲得理想的電光性質(zhì),預計將在調(diào)制器和傳感器等領(lǐng)域有蓿廣泛的應用。
　　 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力雙折射相的本構(gòu)方程,應用彈性力學模型,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變系數(shù)d31、應力雙折射相的應力光學系數(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、的電光效應是通過應力耦合產(chǎn)生的乘積效應,在理論上運用圣維南原理詳細討論了應力的梯度效應及其對電光系數(shù)的影響,這是首次對復合材料因應力耦合產(chǎn)生的梯度效應作定量分析,對其他復合材料的乘積效應比如磁電效應有一定的借鑒意義。
　　 由于電致伸縮相的場致應變曲線具有電滯性質(zhì),使得在實驗中復合介質(zhì)的電光效應具有雙值性,即同一個電場強度對應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