Оптическое материаловедение. Активные материалы
.pdf
Коэффициенты упругости
·109 Па
|
с11 |
|
|
с33 |
с12 |
|
с13 |
|
с44 |
|
с66 |
|
с14 |
||
86,83 |
|
105,94 |
|
7,09 |
11,93 |
58,26 |
39,87 |
|
–18,06 |
||||||
·10–12 Па–1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
s11 |
|
s33 |
|
s12 |
|
s13 |
|
s44 |
|
s66 |
|
s14 |
|
|
|
12,79 |
|
9,56 |
|
–1,54 |
|
–1,10 |
|
19,78 |
|
28,65 |
|
4,46 |
|
|
В левом и правом кристаллах различаются знаки компонентов тензора упругой жесткости с14, с24, с56, что приводит к изменению эффективной фотоупругой постоянной для анизотропной дифракции света на сдвиговых волнах, распространяющихся в плоскости ху.
Акустооптические характеристики кварца
Скорость звуковых волн 
Кристалло- |
Тип |
Скорость |
Направление вектора |
Волновая |
Угол отклонения |
||||||
физическая |
волны |
звука, |
деформации Uзв |
нормаль Nзв |
луча от волновой |
||||||
ось |
vзв·103 м/с |
нормали, град |
|||||||||
х |
L |
5,75 |
|
1 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
|
S |
5,10 |
0 |
0,52 |
–0,85 |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
|
|
S |
3,36 |
0 |
0,85 |
0,52 |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
|
y |
L |
6,01 |
0 |
0,91 |
0,42 |
0 0,92 |
0,39 |
23 |
|||
|
S |
3,92 |
|
1 |
0 |
0 |
0 0,92 –0,39 |
23 |
|||
|
S |
4,35 |
0 |
0,42 |
0,91 |
0 0,91 –0,42 |
24 |
||||
z |
L |
6,32 |
|
0 |
0 |
1 |
|
|
0 0 |
1 |
0 |
|
S |
4,68 |
|
1 |
0 |
0 |
0 –0,29 0,96 |
–17 |
|||
|
S |
4,68 |
|
0 |
0 |
1 |
0 |
0,29 0,96 |
17 |
||
51
Обычно кварц выращивают гидротермальным методом в автоклавах с использованием температурного градиента.
Затравочные пластины, вырезанные из кристаллов, расположены в верхней холодной (360 °С) части раствора, а мелкие частицы кварцевой шихты – в нижней горячей (400 °С) части раствора.
Количество раствора тщательно регулируется, чтобы при температуре и давлении (1000–2000 атм), необходимых для выращивания кристаллов, он полностью заполнял полость сосуда.
При высокой температуре мелкие частицы кварца растворяются, и конвективными потоками кремнезем переносится выше в область, где растут кристаллы.
Затравочные пластины вырезаются перпендикулярно оси третьего порядка кристалла кварца, вдоль которой скорость роста наибольшая.
Кристаллы могут расти со скоростью около 1 мм/сут. 
52
7.2. Ниобат лития
Ниобат лития (метаниобат лития) LiNbO3 – один из наиболее изученных нелинейных кристаллов с широким спектром применения.
Ниобат лития кристаллизуется в дитриго- нально-пирамидальном классе ромбоэдрической сингонии (а = 0,547 нм,
α = 53,72°).
Кристаллы оптически прозрачны в области длин волн 0,4–5,0 мкм.
Показатель преломления (для длины волны 0,63 мкм): обыкновенного луча – 2,29, не обыкновенного – 2,20.
Температура плавления 1260 °С; плотность 4,628 г/см3; твердость по шкале Мооса 5.
|
|
|
2,0·10–6 K–1 (в направлении оси с) |
|
Температурный коэффициент |
|
|
|
линейного расширения |
|
1,67·10–5 K–1 (перпендикулярно оси с) |
|
|
|
|
Сегнетоэлектрик с точкой Кюри ~1210 °С
Практически не растворяется в воде и не взаимодействует с большинством кислот.
Растворяется во фтористоводородной кислоте и реагирует с NH4HF2.
53
Структура ниобата лития, в основе которой лежит плотнейшая гексагональная упаковка из атомов кислорода, реализуется в пространственной группе симметрии R3c с параметрами а = 0,51483 нм,
с = 1,3865 нм, с/а = 2,693.
Октаэдрические пустоты этой упаковки заселены упорядоченно на 1/3 ниобием, на 1/3 литием, последняя треть октаэдров остается пустой.
Кристаллическая структура не имеет центральной симметрии, поэтому ниобат лития является сегнетоэлектриком и обладает нелинейными свойствами.
Основу элементарной ячейки этого кристалла при комнатной температуре составляют слегка деформированные кислородные октаэдры NbO6, соединенные общими гранями и ребрами.
В центре октаэдров находятся ионы Nb; ионы Li располагаются цепочками вдоль оси z. Кислородные атомы лежат в слоях, перпендикулярных z, и отстоящих друг от друга на 1/6 периода решетки вдоль оси z.
При температуре 1483 К кристалл LiNbO3 претерпевает сегнетоэлектрический фазовый переход в параэлектрическую фазу с группой симметрии D3d6.
При этом ионы ниобия становятся центрами симметрии, а ионы лития располагаются в плоскости правильных треугольников, образованных ионами кислорода.
54
Оптические свойства
λ, мкм |
|
0,5 |
|
0,6 |
|
0,7 |
|
0,8 |
|
0,9 |
|
1,0 |
|
1,2 |
|
1,4 |
|
1,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
ne |
|
2,2446 |
|
2,2083 |
|
2,1900 |
|
2,1741 |
|
2,1647 |
|
2,1580 |
|
2,1481 |
|
2,1410 |
|
2,1351 |
nо |
|
2,3444 |
|
2,3002 |
|
2,2756 |
|
2,2598 |
|
2,2487 |
|
2,2407 |
|
2,2291 |
|
2,2208 |
|
2,2139 |
Уравнения Зельмейера для LiNbO3 
|
|
n2 |
= 4,9130 + |
|
|
|
|
1,173 105 +1,65 10−2T 2 |
|
− 2,78 10−8 λ2 , |
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
λ2 −(2,12 102 + 2,7 10−5T 2 ) |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
o |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
n2 |
= 4,5567 + 2,605 10−7T 2 + |
|
|
0,970 105 + 2,7 10−2T 2 |
|
− 2,24 10−8 λ2. |
|||||||||||||||||||||||||||||||
λ2 −(2,02 102 +5,4 10−5T 2 ) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
e |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Упругие константы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
1011 Па |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
с11 |
|
|
с33 |
с44 |
|
с66 |
|
|
с12 |
|
с13 |
|
с14 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
2,03 |
|
|
|
2,45 |
0,6 |
|
0,75 |
|
|
0,53 |
|
0,75 |
|
0,09 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
10–11 Па–1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
s11 |
|
s33 |
|
|
s44 |
|
|
|
s66 |
|
|
|
s12 |
|
|
s13 |
|
|
|
|
s14 |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
0,587 |
|
0,502 |
|
1,70 |
|
1,36 |
|
–0,101 |
|
–0,147 |
|
–0,102 |
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Фотоупругие константы |
|
|
|
|
|
р11 |
|
|
|
р33 |
|
|
р44 |
|
|
|
р66 |
|
|
|
|
р12 |
|
|
р13 |
р14 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,03 |
|
0,078 |
|
0,22 |
|
–0,025 |
|
0,079 |
0,104 |
–0,071 |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
55
Лекция 8. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
К числу перспективных монокристаллических пьезоматериалов следует отнести танталат лития LiТаО3, йодат лития LiIO3, титанат свинца РbТiO3.
8.1. Танталат лития
Танталат лития (метатанталат лития) LiTaO3 представляет собой бесцветные кристалл с ромбоэдрической решеткой (а = 0,547 нм, α = 56,2°, пространственная группа R3c).
Температура плавления танталата лития 1650 °С, плотность 7,3 г/см3, твердость по шкале Мооса 5.
|
|
|
|
|
в направлении оси с – 5,7·10–7 К–1, |
|
|
Температурный |
коэффициент |
|
|
||
|
|
|
|
|
||
|
линейного расширения |
|
|
перпендикулярно оси с – 2,1.10–5 К–1. |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Сегнетоэлектрик |
с точкой |
Кюри |
~660 °С; спонтанная поляризация |
|
|
|
50–80 мкКл/см2 (ε = 43 – в направлении |
оси с, ε = 41 – перпендикулярно оси с). |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Кристаллы оптически прозрачны в области длин волн 0,4–5,0 мкм. 
Показатель преломления
λ, мкм |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
1,2 |
1,4 |
1,6 |
1,8 |
2,0 |
no |
2,216 |
2,183 |
2,165 |
2,153 |
2,145 |
2,139 |
2,131 |
2,124 |
2,117 |
2,112 |
2,107 |
ne |
2,221 |
2,188 |
2,170 |
2,158 |
2,149 |
2,143 |
2,134 |
2,127 |
2,121 |
2,117 |
2,112 |
56
|
|
|
|
с11 |
с33 |
с44 |
с66 |
|
с12 |
|
|
с13 |
с14 |
|
|
|||
|
Упругие константы |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
23,0 |
|
27,5 |
9,56 |
|
|
|
|
7,84 |
–1,11 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
9,46 |
|
4,07 |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
Танталат лития |
практически |
не |
растворяется |
в воде, |
не |
взаимодействует |
|
||||||||||
|
с кислотами, но |
растворяется |
|
во |
фтористоводородной |
|
кислоте и реагирует |
|
||||||||||
|
с NH4HF2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Получают LiTаО3 взаимодействием
Li2CO3 с Та2О5 при 1150–1200 °С.
Монокристаллы выращивают из расплава по методу Чохральского.
8.2. Иодат лития
В твердой фазе могут существовать три модификации иодата лития: орторомбическая γ, тетрагональная β и гексагональная α.
Из этих фаз нецентросимметричной является
α-фаза |
(точечная группа Р632) и |
именно |
α-LiIO3 |
используется в нелинейной |
оптике |
и в акустике. |
|
|
В структуре α-LiIO3 ионы кислорода образуют плотнейшую упаковку со слегка искаженными кислородными октаэдрами.
Атомы иода занимают октаэдрические пустоты, но так, что I5+ оказывается более сильно связан с тремя из шести ионов кислорода в октаэдре, образуя группу IO3 с симметрией С3.
Плотность гексагональной упаковки атомов кислорода в α-LiIO3 составляет 52 %.
Существование такой полярной группы и определяет нелинейно-оптические свойства иодата лития.
Ионы Li+ тоже занимают октаэдрические позиции и образуют цепочки, параллельные оси шестого порядка.
57
Иодат лития LiIO3 образует бесцветные гигроскопичные кристаллы c параметрами ячейки a = 0,5469 нм, c = 0,5155 нм.
При температурах выше 240 °С происходит частичное разложение LiIO3 с выделением I2O3, что не позволяет выращивать иодат лития из расплава.
При 255 °С происходит переход в фазу тетрагональной сингонии с параметрами ячейки a = 0,973 нм, c = 0,615 нм.
Поскольку иодат лития растворим в воде, то эти кристаллы выращиваются из водных растворов при температурах, близких к комнатной.
При выращивании кристаллов из водных растворов при 75 °С образуется кристаллы моноклинной сингонии, пространственная группа P2/n, параметры ячей-
ки a = 0,9722 нм, b = 0,9725 нм, c = 0,61517 нм, β = 90,01°.
Температура плавления иодата лития 450 °С, плотность 4,502 г/см3, твердость Нµ = (2,0÷2,4)·102 кг/мм2 (в зависимости от кристаллографического направления).
Коэффициент температурного линейного расширения в интервале температур 0–250°С изменяется сложным образом.
Упругие константы
с11 |
с33 |
с55 |
с66 |
8,3 |
5,7 |
1,8 |
2,3 |
|
|
|
|
1 – параллельно оси с;
2 – перпендикулярно оси с
Показатель преломления
λ, нм |
400 |
436 |
500 |
530 |
578 |
690 |
800 |
1060 |
no |
1,948 |
1,931 |
1,908 |
1,901 |
1,888 |
1,875 |
1,868 |
1,860 |
ne |
1,780 |
1,766 |
1,754 |
1,750 |
1,742 |
1,731 |
1,724 |
1,719 |
58
8.3. Титанат свинца
Титанат свинца РbТiO3 – синтетический монокристалл в виде прозрачных пластин светло-желтой окраски с совершенной [100] огранкой.
До температуры Кюри (Тс ~ 493 оС) титанат свинца имеет искаженную тетрагональную решетку (сегнетоэлектрическая
фаза, группа P4/mmm) |
с параметрами |
а = 0,3904 нм, с = 0,4150 |
нм. |
Выше Тс переходит в кубическую модификацию (параэлектрическая фаза, группа Рm3m).
Температура плавления 818 °С; плотность 7,3 г/см3. 
В интервале температур 30–250 °С коэффициент термического расширения титаната свинца отрицательный (αV = –8·10–6 К–1).
Оптические характеристики
Диапазон пропускания 0,6–6,0 мкм. 
λ, мкм |
0,488 |
0,5017 |
0,5145 |
0,5321 |
0,6328 |
1,0642 |
1,152 |
no |
2,783 |
2,7742 |
2,7586 |
2,7398 |
2,6676 |
2,5712 |
2,5637 |
ne |
2,7744 |
2,7574 |
2,7431 |
2,7260 |
2,6594 |
2,5692 |
2,5623 |
В сегнетофазе оптически отрицателен (∆n = nc – na = –0,011). 
59
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Упругие характеристики |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Упругие постоянные (·10–12, м2/Н) |
|
|
s11 |
s33 |
s44 |
s66 |
s12 |
||
|
|
|
|
|
7,2 |
32,5 |
12,2 |
7,9 |
–2,1 |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
vL[001] = 4,19·103 м/с; ρ·vL[001] = 3,3·107 кг/(м2·с) 
Среди сегнетоэлектриков характеризуется одним из наиболее высоких значений спонтанной поляризации при комнатной температуре – 0,75 Кл/м2.
Монокристаллы выращивают из расплава состава 0,65·РbО – 0,15·ТiO2 – 0,20·В2О3 при 1000 °С.
Пленки толщиной 0,1–0,3 мкм получают катодным распылением.
Наибольшее применение получила керамика на основе твердых растворов
Pb(ZrxTi1−x)O3 при х ≈ 0,52, а также с примесью La и Sr.
8.4. Пьезокерамика
Широкое применение при изготовлении пьезопреобразователей для акустооптических модуляторов, работающих на частотах до 30 МГц, находят пьезокерамические материалы, которые имеют некоторые преимущества:
простоту технологии изготовления;
возможность создания элементов любой сложной конфигурации;
возможность создания элементов с заранее заданными направлениями вектора поляризации;
возможность варьирования свойств пьезокерамики путем введения определенных добавок.
Пьезокерамические материалы обладают высокой механической и электрической прочностью и малой гигроскопичностью.
60