PLZT透明铁电陶瓷简介--欢迎报考中国科学院上海硅酸盐研究所

PLZT透明铁电陶瓷一、关于PLZT透明铁电陶瓷二、PLZT透明铁电陶瓷的发展和主要应用三、我所研究水平和取得的成果四、PLZT透明铁电陶瓷的未来报告内容一、关于锆钛酸铅镧（PLZT）透明铁电陶瓷[Pb1-xLax(Zr1-yTiy)1-x/4O3(abbreviatedasPLZT(x/1-y/y))]锆钛酸铅镧具有一般铁电陶瓷所具有的铁电、介电、压电特性，同时又具有一般铁电陶瓷所不具有的高的光学透过率和多种电控光学效应，包括电控双折射效应、电控光散射效应。在500nm—6000nm波长范围内的光学透过率可达97-98%（不考虑反射损失）光学透过特性40060080010001200020406080100Transmittance(%)Wavelength(nm)9.0/65/351053nm98.67%9.5/65/351053nm99.51%10.0/65/351053nm99.50%PLZT（x/65/35）透明陶瓷及光学透过率（镀增透膜：：1053nm）样品厚度：0.4mm0.05mm给各向异性的电介质施加外电场E后，由于压电效应使晶格产生畸变，介质的折射率n也随之变化，这种由于外电场引起的晶体折射率的变化现象称为电控双折射效应。n与E的关系：n=no+aE+bE2+电介质的折射率随外电场成线性变化的（由一次项aE引起）称为一次电光效应；折射率与电场成平方关系的（由bE2项引起）称为二次电光效应。PLZT透明铁电陶瓷的电控双折射效应PLZT材料的室温相图不同组成PLZT陶瓷的电滞回线和电控双折射特性四方相结构线性电光效应四方或菱方相结构记忆效应假立方相结构二次电光效应ABCPLZT透明铁电陶瓷的电控双折射效应CAPLZT透明陶瓷的电控双折射光调制示意图电控双折射效应应用原理PLZT透明铁电陶瓷的电控光散射效应电畴有序排列；随外电场转向而转向。电畴随机无序PLZT铁电透明陶瓷中电畴的形态(a)未极化(b)已极化关键区域：不同方向电畴之间的过渡区域畴壁—光学折射率不连续的区域当光入射到这里时，将发生折返；光被散射，畴壁成为无数的散射中心，使原本透明陶瓷呈现磨砂玻璃的性状入射光被衰减、屏蔽极化了的粗晶粒陶瓷片（晶粒大于3-4m），粗晶粒内电畴发展形成许多散射中心，散射光的强度随着电场强度的变化而变化——电控光散射效应。代表：PLZT(7/65/35)，对比度：100:1利用电场诱导的PLZT铁电-反铁电相转变，使材料在电场作用下由没有光散射的状态（反铁电）转变到光散射状态（铁电相）。代表：PLZT(7.6/70/30)，对比度：20:1PLZT透明铁电陶瓷的电控光散射效应PLZT透明陶瓷的电控光散射效应利用电控光散射的光阀示意图最大透过率与最小透过率之比：100：1除了电控双折射以及电控光散射效应之外，不同组成的PLZT材料还具有电致伸缩效应、光致伏特效应、光致伸缩效应等，可根据不同的效应实现材料的应用。PLZT透明铁电陶瓷的其它效应PLZT透明陶瓷起源1971年Haertling和Land用La置换Pb(Ti,Zr)O3中一部分Pb，首次获得PLZT透明陶瓷。PLZT透明陶瓷的发展前期工作以PLZT陶瓷制备技术和组成结构，物理性能以及物理本质（畴结构）为主要研究内容，揭示钙钛矿型铁电材料的许多物理本质，如极化机制，相变机理等；二十世纪末光通讯技术的迅猛发展，引起PLZT透明铁电陶瓷新的研究热潮。集中于材料在光开关、光调制器上的应用研究。国外研制出基于透明铁电陶瓷的光开关和可变光衰减器。二、PLZT透明铁电陶瓷的发展和主要应用强闪光激光光开关光衰减器光屏蔽光调制PLZT透明铁电陶瓷光调制器光隔离器光衰减器等等电光效应PLZT透明陶瓷的主要应用光开关优点不足机械模式光开关消光比大、温度稳定性好、无迟滞、偏振无关、成本低体积大、开关速度慢（毫秒）电光型光开关液晶消光比大(5db)、加工性好、成本低体积大、开关速度慢、热稳定性差单晶（LiNbO3）体积小、开关速度高(纳秒)、消光比大(5db)、迟滞效应小成本高、加工性能差、工作电压高、偏正相关透明功能陶瓷PLZT工作电压低开关速度高(纳秒)消光比大(25db)电可调效应多、温度稳定性好成本低、尺寸大、加工性能好材料迟滞效应较大PLZT透明陶瓷用作光调制器件的优势响应速度快，纳秒量级；开关动作在微区内（25μm25μm）独立完成，可用来制备成阵列形式的高灵敏度、高分辨率的元器件，可高度集成。三、我所研究水平和取得的成果我所是我国最早从事PLZT透明陶瓷制备与性能研究的单位，是国内唯一、国际上少数能提供PLZT陶瓷产品的单位。已建立起完整的透明铁电陶瓷制备工艺，具有先进的性能、结构分析仪器。300400500600700800900010203040506070TransmittanceWavwLength(nm)x=10x=9.5x=9.0x=8.5x=8.2x=8.0PLZT陶瓷的透过率8.48.68.89.09.29.49.69.810.010.210.40123456La-concentration(x=)PLZT(x/65/35)陶瓷材料的双折射n-20-1001020-40-2002040x=8.0x=8.2x=8.5Palarization(C/cm2)E(KV/cm)-40-2002040-60-40-200204060x=9.0x=9.5x=10.0Parization(C/cm2)E(KV/cm)不同La含量PLZT材料的电滞回线图PLZT(9.5/65/35)透明陶瓷：透过率达到68%（样品厚度0.35mm，波长为632.8nm）极小的剩余极化二次电光系数为1.3410-16m2/V2。PLZT透明陶瓷——具有优异光学透过率、铁电特性和电控双折射效应1234123InputOutputIOutputII+OCCouplerCollimatorPLZT晶体由耦合器的同侧两臂连接构成。进入耦合器的光被分为两束，分别沿顺时针和逆时针方向在环中传播，当两束光再次在耦合器中相遇时，由其干涉决定光纤环形镜的输出特性，实现对光的调制。环形镜结构PLZT透明陶瓷的电光应用——高速光开关内部结构光衰减原理PLZT透明陶瓷的电光应用——可变光衰减器（VOA）核心：PLZT电光陶瓷PLZT透明陶瓷的电光应用——高相干宽带电光调频外腔半导体激光器利用PLZT电光陶瓷实现光束偏转，设计叠层式等新型器件结构，有效降低调谐电压，实现高速、宽带调频。高相干宽带电光调频外腔半导体激光器结构方案示意图LDLensEOGratingComplexCavityOutput基于PLZT电光材料光束偏转器新型电光光束偏转器结构示意图四、PLZT透明铁电陶瓷的未来研究工作重点：性能优化、器件应用发展基于PLZT透明陶瓷的电光调制技术，实现其在光纤通信和国防应用激光技术等中的应用。