Активные диэлектрики. Классификация активных диэлектриков. Активные материалы твердых лазеров

Тема 8

Активные материалы

Основные обозначения

Tk– компонент механического напряжения

Xi– компонент упругой деформации

Ek– компонент напряженности электрического поля

 ε    – диэлектрическая проницаемость

 εrст,εrн,εrmax – статическая, начальная, максимальная диэлектрическая проницаемость

α – угол наклона

MD – масштаб по оси смещения

D– электрическое смещение

ME – масштаб по оси напряженности электрического поля

εrдиф,εrа– дифференциальная и амплитудная диэлектрическая проницаемость

Dmax, Emax – максимальные значения электрического смещения и напряженности электрического поля

Ek – коэрцитивная сила

Dост – остаточная поляризация

Q– заряд

S– поверхность

σ механическое напряжение, поверхностный заряд

X– компонент упругой деформации

Р – компонент вектора поляризации, пироэлектрический коэффициент

d– пьезоэлектрический модуль

q– заряд, электрокалорический коэффициент

Dr – остаточная поляризованность

С – удельная объемная теплоёмкость

А – константа материала

Uэ – поверхностный потенциал электрета

W0 – основной уровень

W1 – нижний рабочий лазерный уровень

τ– время жизни

W2, W3 – последующие рабочие уровни

Eю – модуль упругости модуль Юнга

Активными называют диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов. Активные диэлектрики позволяют осуществлять генерацию, усиление, модуляцию электрических и оптических сигналов, запоминание или преобразование информации.

8.1. Классификация активных диэлектриков

К числу активных диэлектриков относят сегнето-, пьезо- и пироэлектрики, электреты, материалы квантовой электроники, жидкие кристаллы, электро-, магнито- и акустические материалы.

Свойствами активных диэлектриков могут обладать не только твердые, но также жидкие и даже газообразные вещества (например, активная среда газовых лазеров). По химическому составу это могут быть органические и неорганические материалы. По строению и свойствам их можно подразделять на кристаллические и амфорные, полярные и неполярные диэлектрики. Ряд материалов проявляет свою активность лишь благодаря наличию в них спонтанной или устойчивой остаточной поляризации. Однако поляризованное начальное состояние не является обязательным условием проявления активности материала при внешних воздействиях.

В зависимости от технического назначения существенно различны и требования к материалам. Так, одно из главных требований, предъявляемых к пассивным диэлектрикам, заключается в сохранении стабильности свойств при внешних воздействиях. В то же время требования к активному материалу совершенно противоположные: чем сильнее изменяются его свойства при внешних возмущениях, тем лучше может выполнять активный элемент функции управления энергией или преобразования поступающей информации. При изучении классификации активных материалов по принципу управления необходимо помнить, что один и тот же материал в различных условиях его эксплуатации может выполнять либо пассивные функции изолятора или конденсатора, либо активные функции управляющего элемента. В основном активные диэлектрики классифицируют по роду физических эффектов, которые можно использовать для управления свойствами материалов. На рис. 8.1 представлена классификация диэлектрических материалов по принципу управления.

Важно понять физику происходящих изменений в диэлектрике под действием тех или иных принципов управления на основе присущих этим диэлектрикам свойств. Так, для активных материалов, объединенных в класс сегнетоэлектриков, характерно изменение поляризованности при воздействии электрического поля. Для пьезоэлектриков – изменение поляризации под действием механических напряжений. К пироэлектрикам относятся материалы с явно выраженным пироэлектрическим эффектом