Приборы и устройства для формирования видимого изображения: Учебное пособие, страница 50

Dа_i=r_ikE_k.

Такой эффект называют линейным электрооптическим эффектом, а коэффициент пропорциональности r_ik - электрооптическим коэффициентом. Линейный электрооптический эффект существует только в веществах, обладающих пьезоэффектом, - пьезоэлектриках. При приложении поля в таких веществах возникают механические напряжения или деформации, приводящие к изменению поляризационных констант вследствие упругооптического эффекта. Такое непрямое изменение e в результате воздействия электрического поля называют вторичным (ложным) электрооптическим эффектом.

Полный электрооптический коэффициент складывается из коэффициентов первичного и вторичного эффектов. На высоких частотах, когда вещество не успевает деформироваться вслед за изменениями электрического поля, имеет место только первичный электрооптический эффект.

Разница в величине электрооптических коэффициентов разных диэлектриков обусловлена в основном их неодинаковыми диэлектрическими проницаемостями. У сегнетоэлектриков, для которых значение e обычно на два порядка выше, чем у обычных диэлектриков, электрооптические коэффициенты максимальны. Зависимость коэффициентов от температуры обусловлена изменением e с температурой.

Для технической характеристики качества электрооптических материалов часто вводят ещё один параметр - полуволновое напряжение. Это напряжение необходимое для создания в кристалле разности хода лучей, равной половине длины волны проходящего света. Оно может быть определено из следующих соотношений:

RE=Da=n^-2(E) – n^-2(0)»2Dn×n^-3.

Dn=n(E) – n(0)=n³rE/2.

Оптическая разность d хода лучей при наличии электрического поля и без него при длине кристалла l определяется следующим соотношением:

d=lDn.

Если вектор напряжённости поля ориентирован вдоль направления распространения света, то El=U (U - приложенное напряжение). При d=l/2 для полуволнового напряжения U^{^} получаем следующее выражение:

U^{^}=l/(n³r).

Величина полуволнового напряжения зависит от длины волны света и обычно составляет единицы и десятки киловольт. Для снижения управляющего напряжения поле прикладывают перпендикулярно к направлению распространения света, уменьшая поперечные размеры элемента.

Квадратичный электрооптический эффект может быть превращен в линейный подачей постоянного смещающего поля.

Электрооптические материалы.  Электрооптические материалы, применяемые для модуляции света, должны удовлетворять следующим требованиям:

-область прозрачности материала должна включать заданный диапазон длин волн света,

-оптическое затухание на рабочих частотах используемого света должно быть малым,

-материал должен иметь высокий электрооптический коэффициент r,

-величина полуволнового напряжения должна быть минимальной,

-удельное сопротивление материала должно быть высоким, а тангенс угла диэлектрических потерь - низким,

-материал должен легко обрабатываться и быть устойчивым к воздействию излучения и факторов окружающей среды.

Применяют несколько  видов материалов: жидкие кристаллы (ЖК), электрооптические кристаллы и оптически прозрачную сегнетокерамику. Наиболее широкое применение из кристаллов находит дигидрофосфат калия   - KDP (KH₂PO₄), дидейтерофосфат калия - DKDP (KD₂PO₄), ниобат лития (LiNbO₃), танталат лития (LiTaO₃).

Из оптически прозрачных сегнетокерамик наиболее пригодна для преобразования света сегнетокерамика системы ЦТСЛ [Pb(Zr_x Ti_1-x)O₃ +уLa₂O₃)]. В сегнетокерамике существует особый электрооптический эффект - электрически управляемое рассеяние света. Если керамика поляризована параллельно направлению распространения света, то свет проходит сквозь неё, почти не рассеиваясь. Если керамику располяризовать (или переполяризовать в перпендикулярном направлении), то  свет интенсивно рассеивается доменной структурой и почти не проходит в прямом направлении. Области керамики, поляризованные перпендикулярно к лучу, в отражённом свете видны как светлые, что и используется для считывания  информации. Возможна и запись информации светом, для чего пластинку из сегнетокерамики покрывают тонким слоем фотополупроводника. Изменения электрооптических свойств можно добиться и механической деформацией керамики (сжатием или растяжением). Домены ориентируются - вытягиваются в линию по направлению растяжения.

      Формирователи изображений на электрооптическом эффекте. Как уже отмечалось, для создания нужного рельефа распределения поля по поверхности кристалла сегнетоэлектрика можно использовать различные способы: локальное приложение внешнего поля, воздействие светового (ультрафиолетового) излучения, механическое воздействие, формирование заряда с помощью электронного пучка.

Наименьшей длительности цикла запись - стирание можно достичь в устройствах с электронно-лучевым управлением. Для записи и стирания в таких устройствах из-за большого удельного сопротивления материала кристаллов необходимо поочерёдно создавать на их поверхности положительный и отрицательный заряд.

Для регулирования знака заряда поверхности мишени используют зависимость коэффициента вторичной электрон - электронной эмиссии (s) диэлектрической поверхности от энергии бомбардирующих электронов. Накопление электронов (отрицательный заряд) имеет место при s<1, а положительный заряд поверхности –при s>1. Выбирая ускоряющее напряжение для пучка электронов, можно осуществить смену (стирание) заряда поверхности.

Из-за высокой величины полуволнового напряжения (для DKDP »3,6 кВ) целесообразно работать вблизи точки Кюри при температуре »-50 ⁰С, что позволяет снизить управляющее полуволновое напряжение до сотен вольт благодаря увеличению e до 600. Для охлаждения применяют элементы Пельтье.

При электронно-лучевом управлении и охлаждении кристалла возможна работа в нескольких режимах. В первом режиме при комнатной температуре и  высоком полуволновом напряжении энергия модулируемого видеосигналом пучка электронов составляет 15-20 кэВ. При перемещении пучка на поверхности создаётся рельеф из отрицательных зарядов (s<1). При стирании мишень "заливается" широким электронным пучком с энергией от 1 до 3 кэВ. Поверхность мишени обедняется электронами (s>1), и её потенциал возрастает, достигая равновесного. Затем цикл запись - стирание повторяется.