Активные диэлектрики оптических квантовых генераторов

Твердые диэлектрики для оптических квантовых генераторов (лазеров) являются активной средой, представляющей собой кристаллическую или стеклообразную матрицу, в которой равномерно распределены активные ионы (активаторы). Все процессы поглощения и излучения света связаны с переходами электронов между уровнями активного иона, при этом матрица играет пассивную роль. Спектр излучения лазера в основном зависит от типа активного иона. Как вещество кристаллической или стеклообразной основы, так и активаторы должны удовлетворять целому ряду специфических требований.

Сегнетоэлектрики

Сегнетоэлектрики - вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля. Сегнетоэлектрики обладают рядом специфических свойств, которые проявляются лишь в определенном диапазоне температур. Температура Tк (сегнетоэлектрическая точка Кюри) является температурой фазового перехода, ниже этой температуры сегнетоэлектрик обладает доменной структурой и характерными сегнетоэлектрическими свойствами; выше этой температуры происходит распад доменной структуры и сегнетоэлектрик переходит в параэлектрическое состояние. Следствием доменного строения сегнетоэлектриков являются нелинейная зависимость их поляризованности или электрической индукции от напряженности электрического поля, которая носит название диэлектрической петли гистерезиса, и резко выраженная температурная зависимость диэлектрической проницаемости, в которой максимум диэлектрической проницаемости достигается при температуре, соответствующей точке Кюри.

Сегнетоэлектрики находят применение: для изготовления малогабаритных низкочастотных конденсаторов с большой удельной емкостью; для изготовления материалов с большой нелинейностью поляризации для диэлектрических усилителей, модуляторов и других управляемых устройств; в вычислительной технике — для ячеек памяти; для модуляции и преобразования лазерного излучения; в пьезо- и пироэлектрических преобразователях.

Электреты

К электретам относятся диэлектрики, способные длительное время сохранять поляризованное состояние и создавать в окружающем их пространстве электрическое поле. Остаточная поляризация в электретах в отличие от пироэлектриков и поляризованных сегнетоэлектриков компенсирована не полностью, что приводит у них к отличной от нуля внешней напряженности поля, которая может быть очень высокой. Существуют различные способы получения электретов. Так, термоэлектреты получают путем охлаждения в сильном электрическом поле расплава полярных диэлектриков; фотоэлектреты изготовляют из материалов, обладающих фотоэлектропроводностью — серы, сульфата кадмия — при одновременном воздействии света и электрического поля; короноэлектреты получают при пониженном давлении газа в коронном разряде и др.

Если заряд в электрете создается за счет различных релаксационных механизмов поляризации, то такие заряды называют гетерозарядами. Эти заряды имеют знак, противоположный знаку заряда электродов. Если заряды переходят на поверхность твердого диэлектрика из поляризующего электрода или воздушного зазора и имеют тот же знак, что и электроды, то такие заряды называют гомозарядами.

В разной степени электретный эффект присущ всем без исключения диэлектрикам. Заряды одного знака с электродами гомозаряды притягиваются реальным зарядом вблизи поверхности диэлектрика, возникающим из-за проводимости между диэлектриком и электродом, холодной эмиссии на электроды из электродов или электрическому пробою на поверхности. Гетерозаряд связывается с поляризацией объема диэлектрика в результате ориентации диполей или разделения зарядов и их захвата при приложенном электрическом поле.

Пьезоэлектрики

Пьезоэлектрики — диэлектрики с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом. Прямым пьезоэлектрическим эффектом называют явление поляризации диэлектрика под действием механических напряжений. При обратном пьезоэффекте происходит изменение размеров диэлектрика под действием приложенного электрического поля. Хотя в настоящее время известно более тысячи веществ, обладающих пьезоэлектрическими свойствами, в пьезотехнике применяется ограниченное количество материалов. Важное место среди них занимает монокристаллический кварц, из которого вырезают пластины с нужной для получения высоких характеристик кристаллографической ориентацией. Кварцевые резонаторы, представляющие собой полированные кварцевые пластинки с электродами и держателем, имеют очень малый tg δ и высокую механическую добротность (т.е. малые механические потери). Механическая добротность (величина, обратная tg δ) в кварцевых резонаторах может достигать 10^6 – 10^7. Кроме кварца в различных пьезопреобразователях используют кристаллы сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития. Широко применяется для изготовления пьезопреобразователей пьезоэлектрическая керамика, изготовляемая в основном из твердых растворов цирконататитаната свинца РbZrО3 - РbTiО3 (ЦТС). Преимущество пьезокерамики перед монокристаллами — возможность изготовления активных элементов сложной формы и любого размера. Пьезокерамика применяется для изготовления малогабаритных микрофонов, телефонов, детонаторов, датчиков давлений, деформаций, ускорений, вибраций, пьезорезонансных фильтров, линий задержки, пьезотрансформаторов и др.

Параэлектрики

Наиболее известными представителями параэлектриков (криопараэлектриков) является титанат стронция, танталаты калия и другие элементы. ПАРАЭЛЕКТРИКИ - диэлектрики,для к-рых нелинейная зависимость поляризации Р от электрич. поля Е проявляется уже в слабых полях и является безгистерезисной. К П. относятся, в частности, сегнетоэлектрики в неполярной фазе вблизи темп-ры Кюри. Электрич.уравнение состояния здесь можно представить в виде Е= АР + ВР3, причём величина А аномально мала (обращается в нуль в точке сегнетоэлектрич. перехода 2-го рода). Др. причиной сильной нелинейности П. может быть структурный фазовый переход, возникающий в кристалле при наложении уже относительно небольшого электрич. поля.

Пироэлектрики.

Пироэлектрики, т.е. диэлектрики, обладающие пироэлектрическим эффектом. Пироэлектрический эффект состоит в изменении спонтанной поляризованности диэлектриков при изменении температуры. К типичным линейным пироэлектрикам относятся турмалин и сульфат лития. Пироэлектрики спонтанно поляризованы, но в отличие от сегнетоэлектриков направление их поляризации не может быть изменено внешним электрическим полем. При неизменной температуре спонтанная поляризованность пироэлектрика скомпенсирована свободными зарядами противоположного знака за счет процессов электропроводности и адсорбции заряженных частиц из окружающей атмосферы. При изменении температуры спонтанная поляризованность изменяется, что приводит к освобождению некоторого заряда на поверхности пироэлектрика, благодаря чему в замкнутой цепи возникает электрический ток. Пироэффект используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистрации инфракрасного и СВЧ-излучения.

Активными диэлектриками, или управляемыми диэлектриками, принято называть такие диэлектрики, свойства которых существенно зависят от внешних условий - температуры, давления, напряженности поля и так далее. Такие диэлектрики могут служить рабочими телами в разнообразных датчиках, преобразователях, генераторах, модуляторах и других активных элементах.

К активным диэлектрикам относят сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники, суперионные проводники и др. Сегнетоэлектриками называют материалы, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

В отсутствии внешнего электрического поля сегнетоэлектрики, как правило, имеют доменную структуру, то есть разбиваются на микроскопические области, обладающие спонтанной поляризацией. В принципе, у ферромагнетиков также имеются домены - области спонтанного намагничивания, поэтому поведение сегнетоэлектриков в электрическом поле подобно поведению ферромагнетиков в магнитном поле.

В 1880 году братьями П. и Ж. Кюри был открыт прямой пьезоэффект – возникновение электростатических зарядов на пластинке, вырезанной из кристалла кварца, под действием механических напряжений. Эти заряды пропорциональны механическому напряжению, меняют знак вместе с ним и исчезают после снятия напряжений.

Наряду с прямым пьезоэффектом, наблюдается и обратный пьезоэффект, когда под действием электрического поля возникает механическая деформация кристалла, причем величина механической деформации прямо пропорциональна напряженности электрического поля.

Обратный пьезоэффект не следует смешивать с электрострикцией – деформацией диэлектриков под действием электрического поля. Электрострикция наблюдается как в твердых диэлектриках, так и жидких, тогда как пьезоэффект наблюдается только в твердых диэлектриках с определенной кристаллической структурой. Кроме того, при электрострикции наблюдается квадратичная зависимость между напряженностью поля и деформацией, а при пьезоэффекте – зависимость линейная.

Пьезоэлектрический эффект наблюдается только тогда, когда кристаллическая решетка несимметрична. Отсутствие центра симметрии кристаллической решетки является необходимым, но недостаточным условием появления пьезоэлектрического эффекта.

Электретами называют диэлектрики, длительное время сохраняющие электризованное состояния после окончания внешнего воздействия, вызвавшего электризацию. Электреты являются формальными аналогами постоянных магнитов, создающих вокруг себя магнитное поле Суперионными проводниками называют диэлектрики с ионной связью, проводимость которых резко возрастает при достижении некоторой температуры, меньшей температуры плавления. Этот эффект связывают с так называемым внутренним плавлением. Иначе говоря, если жидкие кристаллы совмещают свойства жидкости и кристалла, то суперионные проводники совмещают свойства кристалла и жидкости

Date: 2016-06-06; view: 958; Нарушение авторских прав