Mn-Fe-KTN晶体的电致应变和光折变效应研究

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1、Mn:Fe:KTN晶体的电致应变和光折变效应研究Researchonthefield-induced-strainandphotorefractiveeffectofMn:Fe:KTNcrystal(瞬态光学与光子技术国家重点实验室开放课题，No.SKLST201505国家自然科学基金资助项目，No.61077072)学科专业：光学工程研究生：李弼华指导教师：吕且妮副教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十二月摘要钽铌酸钾(KTN)晶体由于其优异的电光性能、光折变性能、电致应变性能和铁电性能，在电光调制器、光开关

2、、偏转器、传感器、驱动器和光通讯领域具有巨大的应用潜力。本文对双掺杂的Mn:Fe:KTN晶体的电致应变和光折变效应进行了研究，所做的主要工作如下：1基于正交偏光成像系统原位可视化了四方相Mn:Fe:KTN中的铁电畴在电场作用下的动态转换过程，提出一种提取畴壁侧向位移的测量方法，进而得到电滞回线。该方法将铁电材料中电畴的运动和铁电体相应的宏观响应，即电滞回线之间联系了起来，为直接操控铁电体中畴壁的运动及开发相应功能器件提供了一种监测方法。2对电场振幅大小、电场频率及温度依赖的四方相Mn:Fe:KTN晶体的电滞回线和电致应变

3、曲线进行了研究。晶体的电滞回线形状表现出强烈的频率依赖性。当电场频率从高频到低频时(0.01-150Hz)，电滞回线的形状由不对称的双电滞到对称的双电滞再到单电滞回线变化。低频时(f<1Hz)，电滞回线形状依赖于频率大小，高频时(f>5Hz)，其形状与频率无关，且在相同的温度和电场幅值下，最大极化强度与频率无关，约为12μC/cm2。提出一种对外场响应不同的双电偶极子的受迫振动模型解释这一现象，由局域组分梯度诱导的电偶极子与自发极化产生的电偶极子对外场的响应不同所致。晶体的电致应变曲线对应于电滞回线。高频率时晶体的电致应

4、变曲线呈“树芽”状，具有较大的可恢复性正应变，负应变为零；低频时，电致应变曲线呈蝴蝶状。研究成果表明Mn:Fe:KTN晶体在大应变精密驱动器、变频通讯器件的研制中具有潜在应用价值。3利用顺电相Mn:Fe:KTN晶体的介电性能和电光效应实验，证明了该晶体中存在极化纳米区域(PNRs)。通过双光束干涉方法，在该晶体中写入Bragg光栅，采用数字全息显微干涉技术对晶体中光栅的写入和暗衰减过程实现了原位可视化，研究了光栅写入和暗衰减随不同实验参数(写入电场、再现电场、温度、退火速率、光栅间距、曝光时间)的变化规律，实验结果与理论

5、分析吻合。实验发现光栅的暗存储时间表现出对写入电场的依赖性，写入时加载电场，可延长光栅暗存储寿命。其原因是外场使晶体中的PNRs重新取向，光栅写入在有序的晶体上，从而延长了暗衰减时间。研究成果为基于KTN晶体的电光调制器、电控光开关的研制提供了重要依据。关键词：Mn:Fe:KTN晶体电致应变效应光折变效应铁电畴PNRsIABSTRACTPotassiumtantalateniobate(KTN)crystalhasbroadapplicationprospectsinthefieldofopticalmodulators

6、,electro-opticswitches,deflectors,sensors,actuators,opticalcommunicationandsoon,becauseofitsexcellentelectro-opticproperties,photorefractiveeffect,field-induced-straineffectandferroelectricities.Inthispaper,thefield-induced-straineffectandphotorefractiveeffectoft

7、heMn:Fe:KTNco-dopedcrystalaremainlyinvestigated.Mainworkisasfollows:1TheferroelectricdomainconfigurationevolutionofthetetragonalMn:Fe:KTNcrystalunderanexternalelectricfieldisobservedinsituusingopticalmicroscopeimagingsystem.Anopticalmethodisproposedtoextractthedi

8、splacementvectorofdomainwallsidewisemotionfromtheferroelectricdomainconfigurationsandthenobtainthehysteresisloop.Themethodmakesitpossibleforustoestablisharelat