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1、PMN-PT 材料的性质及应用光学 王磊 13S011062一、PMN-PT 晶体的性质自 1970 年后,透明铁电陶瓷引起了人们的广泛重视，随后人们发现这种材料在当代许多新技术如计算技术、显示技术、激光技术、全息存贮、微声技术以及光电子学诸领域中都有广阔的应用前景。目前铌酸锂晶体作为一种非线性光学晶体材料,在光通信领域得到广泛应用除了不能作光源探测器以外,铌酸锂晶体适合制作各种光的控制耦合和传输器件,如光隔离、放大、波导、调制等器件，但是由于生长技术长期得不到突破,人们一直在努力寻找性能更好、价格更便宜的新材料替代铌酸锂晶体。于是,PLZT、PMN-PT 的研究受到重视，很长一段时间以来,对
2、 PLZT 和 PMN-PT 两系列陶瓷材料的研究主要集中在压电陶瓷的研究上,对透明光电陶瓷的研究也主要集中在 PLZT 系材料上，但是,PLZT 显著的场诱导效应、偏振依赖散射损失以及高的滞后现象,使得该类透明光电陶瓷的应用受到了限制。但是透明光电陶瓷材料 PMN-PT 却在较大程度上克服了上述困难,引起了人们的重视。铌镁酸铅(PMN-PT)单晶材料作为一种新型的压电材料,具有高压电常数、大机电耦合系数、高介电常数、低损耗的特性，尤其压电性能比普通的压电材料要提高 10 倍左右，使得它可以在比传统的 PZT 压电陶瓷有更广泛的应用领域，如在声纳、叠层式驱动、超声成像、光学等方面已被广泛认识和
3、应用。但一直以来因其产量的困难和成本偏高，而阻碍了被大量选用，“联能科技”（SINOCERA）公司经过多年的开发及研究，现已做到了对 2 英寸 PMN-PT 材料的批量化生产，并能按客户的要求选择设计成片状、块状、环型、桶型等类型。如右图所示。PMN-PT属于准二元固溶体系统，各种性能都与组份有密切的关系该系统在PMN ：PT=65：35附近存在着准同型相界，根据实验结果表明，在相界附近PT含量较低的一侧，系统的压电常数和耦合系数最高。如图所示，图1中所用样品的切割方向为(001)，测得所取的最大值。压电晶体均为各向异性晶体，对于PMN-PT及PZNPT等弛豫型铁电单晶，当体系处于三方相时，自
4、发极化沿【111】方向。然而Normura等发现， PZN样品001 片比111片的d 33和k33要大。 Shrout也得到类似结果，我们对三种取向分别为001、111和110的PMNPT样品的d33和kt进行了测量，三种取向的样品取自同一块晶体，组份为x=30mol，由结果可知，PMN-PT与PZN-PT的这一行为基本一致。二、 PMN-PT 光电透明陶瓷的应用PMN-PT 光电透明陶瓷属于钙钛矿型多晶结构,可以用 ABO3 表示: (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O32xPbTiO3(PMN-PT)其中 A 位为 Pb 元素,B 位为 Mg、Nb 和Ti 元素。 PLZT、PMN-
5、PT 同属于一类弛豫材料,具有各向同性的最小能量稳定结构和易被扭曲的电场，在外电场作用下,所有的畴都倾向于外电场排列,即发生极化,光就会产生双折射,从而表现出很强的电光效应。透明光电陶瓷除了具有透光性以外,还具有大的光电系数和优异的表观电光克耳效应以及光学双折射等特性,利用这些性能可开发出以下光电子器件。2.1 光纤传感解调用法布里-泊罗谐振腔用 PMN-PT 系列透明光电陶瓷的双折射效应、大的光电系数、高的灵敏度,通过在透明光电陶瓷上施加电场从而改变其折射率,达到折射率调谐的目的,避免了法布里-泊罗谐振腔在腔长调谐和角调谐过程中存在的相对位置的机械运动,消除了由此引起的对扫描频率提高的限制,
6、并且调节容易2.2 光开关透明光电陶瓷材料制成的光开关在尺寸和灵活性方面有较大优势28,29典型的光开关是用 KDP 和 LiNbO3 材料制成的,由于这些材料的调制效率较低,一般需要很高的驱动电压(1000V)而 PMN2PT 材料具有很高的电光系数,只需较低的驱动电压 利用 PMN2PT 透明光电陶瓷开发的光开关的最低驱动电压为48V,开关重复速率达到 200kHz2.3 可变光衰减器高电光效应的 PMN-PT 材料使得制造非波导腔自由空间形式的器件成为可能，器件的结构与广泛应用的网络组件光隔离器相类似，光线经过输入瞄准仪进入,穿过 PMN2PT 元素, 然后经输出瞄准仪输出通过改变外加至
7、光电陶瓷材料上的电场可以进行衰减控制 其中光线是沿垂直 PMN2PT 材料表面方向入射的,其优势是插入损耗小!偏振相关性低2.4 偏振控制器偏振控制器是由 2 块动态延迟波片相互成 45b 构成,由于 2 波片成 45b,不可能存在偏振态同时与 2 个波片的快轴或慢轴成 1 条直线的输入光因此,2 块动态延迟波片足以改变任意输入偏振态成为任意需要的输出偏振态由于透明光电陶瓷的折射率可以随着外加电场的改变而改变,高电光效应意味着达到 180b 相位延迟的外加电场比较小,减少了电场感应引起的散射,活化损耗也可忽略不计,因此可以作为制作偏振控制器的理想材料2.5 可调增益倾斜滤波器和动态增益平坦滤波
8、器可调增益倾斜滤波器(VGTF)和动态增益平坦滤波器(DGFF)一般由 1 对瞄准仪、1 个幅度调节器和 1 个相位调节器构成其中幅度和相位调节器可以由透明光电陶瓷材料以及相应的无源光组件制成，近年来国内外在 PMN2PT 透明光电陶瓷材料的制备方面已取得了一定的进展,并已经成功制备出一系列的器件,PMNPT 作为一种性能优异的光电材料,继 PLZT 之后再次受到人们的广泛重视。例如美国在近几年有关于 PMN-PT、掺镧 PMN-PT 以及基于 PMN-PT 材料的光电器件的多项技术专利,另外一些国家也开发了一些新型的粉末制备和陶瓷烧结的新技术我国一些高校也成功开发了以钙钛矿相为主的 PMN-PT 材料，并开发了诸如可变光衰减器等一系列器件，但是,由于起步较晚以及材料无铅化的困难,对 PMN-PT 的研究还远没有达到实际使用要求,对陶瓷透明的机理以及制备过程中条件的精确控制还不是很清楚，今后的研究重点将集中在陶瓷的透明机理制备新方法开发、制备条件优化以及新器件研究上,并为研究新型高性能的无铅化环保型透明光电陶瓷打下基础。
