Высокоэффективные монокристаллические материалы для акустооптики и акустоэлектроники

Ьш. эффективных материалов для акустооптики и акустоэлектроники, а также важностью выявления закономерностей, облегчающих поиск таких материалов.

Акустоэлектроника представляет один из самых быстро развивающихся разделов электроники, включающих устройства селекции по частоте (вгзначительной степени определяющих прогресс систем мобильной связи), электроакустические преобразователи для дефктоскопии и томографии, датчики различных величин (температуры, давления и пр.) и многие другие. Все это представляет крупное по объему и важное по номенклатуре производство.

Акустооптика в настоящее время является важным и эффективным разделом оптоэлектроники. Акустооптические модуляторы и дефлекторы являются наиболее энергетически выгодными немеханическими устройствами управления параметрами лазерного излучения. Акустооптические спектральные фильтры с электронной перестройкой составляют основу большого числа эффективных приборов для экологии, медицины, устройств распознования изображений в видимой и инфракрасной областях спектра, для исследований из космоса и многих других применений.

Прогресс в обеих указанных областях в значительной степени связан с разработкой новых эффективных материалов. Интерес к новым материалам резко возрастает каждые 5−8 лет в связи с разработкой и запуском в серию новых поколений приборов.

Эффективность кристаллов" для акустоэлектроники и акустооптики определяется рядом общих параметров, это прежде всего скорость и поглощение ультразвука, коэффициент электромеханической связи. Поэтому одни и те же материалы, такие как кварц и ниобат лития, успешно применяются как в акустооптике, так и в акустоэлсктронике.

Часть параметров специфична для акустооптики (фотоупругие константы, показатели преломления, поглощение света и др.), а другая часть — для акустоэлектроники (диэлектрические постоянные, электропроводность в широком интервале частот и др.).

Несмотря на обнаружение и использование ряда эффективных материалов до настоящего времени ощущается серьезная потребность в материалах в частности с оптимальным сочетанием коэффициента электромеханической связи и термостабильности для акустоэлектроники и эффективными акустооптическими материалами для ультрафиолетовой и инфракрасной областей спектра.

Эта потребность усугубилась в последнее время в связи с разработкой нового поколения приборов твердотельной электроники.

В то же время, известные критерии поиска материалов для акустооптики и акустоэлектроники недостаточны для систематического эффективного поиска и сильно уступают, например, состоянию знания о нелинейно-оптических свойствах материалов.

Это связано с тем, что расчет нелинейно-оптических констант определяется расчетом нелинейности электронной поляризуемости, который хорошо развит и дает хорошие количественные результаты. В то же время расчет упругоптических и пьезоэлектрических констант не позволяет получать сколько-нибудь удовлетворительных данных ввиду определяющего вклада в эти эффекты кристаллической решетки, по которой для большинства кристаллов известны только геометрические параметры структуры.

В этих условиях получение новых экспериментальных данных и их систематизация могут стимулировать развитие теории.

Цель и задачи исследования

.

Выявление новых закономерностей, облегчающих поиск эффективных материалов для акустооптики и акустоэлектроники, включающее: изучение ряда особенностей акустооптических взаимодействий, связанных с анизотропией оптических, упругих и фотоупругих свойств;

— экспериментальное исследование комплекса электроакустических свойств ряда перспективных для акустоэлектроники классов кристаллов;

— экспериментальное изучение комплекса акустооптических свойств ряда перспективных для акустооптики классов кристаллов;

— систематизация экспериментальных данных и выявление наиболее важных закономерностей и факторов, определяющих перспективность кристаллов;

Основные защищаемые в работе положения.

1. Выявленные закономерности поиска монокристаллических материалов для акустооптики: высокие константы акустооптического взаимодействия при малых показателях преломления в кристаллах органических соединений и солей органических кислотразличие знаков вкладов в фотоупругие константы от разных компонент, входящих в исследуемое соединение.

2. Результаты экспериментального исследования и систематизации комплекса акустооптических свойств кристаллов солей органических кислот.

Закономерности изменения упругих и фотоупругих свойств в гомологических рядах бифталатов и ортосульфобензоатов щелочных металлов.

3. Результаты экспериментального исследования и систематизации комплекса акустооптических свойств кристаллов бинарных соединений — прежде всего галогенидов одновалентной ртути. Закономерности изменения упругих, фотоупругих свойств в этих материалах.

Существенное снижение поглощения гиперзвука в соединении Н82ВП, 2С10,8 из системы твердых растворах бромида-хлорида ртути за счет коррекции фононного спектра.

4. Результаты экспериментального исследования и систематизации комплекса электроакустических свойств кристаллов со структурой лангасита.

Обнаружение низкотемпературных диэлектрических аномалий в этих кристаллах, позволяющих указать на возможность отнесения данных кристаллов к квантовым параэлектрикам.

Обнаружение упругих аномалий в подгруппах галлатов данного класса кристаллов.

Обнаружение низких потерь гиперзвука в кристаллах лангасита и низких диэлектрических потерь в кристаллах лантан-галлиевого ниобата и стронций-галлиевого танталата.

5. Аналитические соотношения для многочастотных акустооптических взаимодействий в анизотропной среде и их экспериментальная проверка.

Научная новизна.

Измерены полные матрицы упругих пьезоэлектрических, диэлектрических и фотоупругих констант кристаллов бифталатов щелочных металлов, ортосульфобензоатов щелочных металлов, галогенидов одновалентной ртути, сульфида ртути, Ь-арпгаин фосфата, титанилфосфата калия и рубидия, твердых растворов сульфида цинка-сульфида кадмия.

Изучены особенности распространения акустических волн в сильно анизотропных кристалллах галогенидов одновалентной ртути.

Обнаружены упругие и диэлектрические аномалии в кристаллах лантангаллиевого силиката, лантангаллиевого ниобата и лантангаллиевого танталата.

Уточнены критерии и направления поиска новых эффективных акустооптических материалов.

Установлены закономерности поведения упругих свойств в кристаллах солей органических кислот.

Предложен кристалл Ь-аргининфосфата в качестве нового эффективного акустоогггаческого материала для ультрафиолетовой области спектра.

Изучено влияние механического давления на упругие свойства кристаллов парателлурита, йодноватой кислоты, молибдатов гадолиния и тербия.

Обнаружены:

Высокие коэффициенты акустооптического взаимодействия в кристаллах солей органических кислот.

Высокие константы акустооптического взаимодействия в кристаллах галогенидов ртути.

Рекордно низкие скорости звука и другие акустические аномалии в кристаллах галогенидов одновалентной ртути.

Низкое поглощение ультразвука в смешанном кристалле бромида-хлорида ртути.

Сочетание более высокой чем в ниобате и танталате лития термостабильности упругих свойств и резонансных частот упругих колебаний с более высокими чем в кварце коэффициентами электромеханической связи в кристаллах со структурой лангасита.

Аномалии диэлектрических свойств лангасита, присущие квантовым параэлектрикам.

Низкие диэлектрические потери при высоких температурах в кристаллах лантан-галлиевого ниобата и стронций-галлиевого германата. Нулевые температурные срезы для диэлектрических проницаемостей в кристаллах лантан-галлиевого ниобата и танталата.

Закономерности * поведения упругих, фотоупругих и пьезоэлектрических свойств в кристаллах твердых растворов сульфида цинка-магния и семейства бифталатов, а также упругих и фотоупругих свойств в кристаллах галогенидов одновалентной ртути.

Практическая значимость.

Во многом на основе наших результатов исследований пьезоэлектрических и упругих свойств лантан-галлиевого силиката и лантан-галлиевого ниобата эти материалы признаны наиболее перспективными новыми материалами для систем селекции по частоте прежде всего для приборов мобильной связи. В настоящее время приборы на основе лангасита разрабатываются как в России, так и во Франции, Японии, Германии, США, Швейцарии, Австрии.

На основе предложенных нами для акустооптики галогенидов одновалентной ртути разработаны эффективные акустооптические устройства для инфракрасной области спектра.

Акустооптические устройства на основе бифталатов использовались для внутрилазерной модуляции.

Автором предложен ряд эффективных акустооптаческих и акустоэлектронных приборов, использующих сильные анизотропные эффекты в исследованных им кристаллах.

На базе обнаруженной нами сильной пьезоэлектрической чувствительности при высоких температурах в кристаллах лантан-галлиевого ниобата и стронций-галлиевого германата разработаны высокотемпературные датчики давления.

С участием автора разработаны первые образцы монолитных фильтров на объемных волнах и специальных фильтров на поверхностных акустических волнах в кристаллах лангасита.

На основе кристаллов бифталата рубидия при участии автора разработан высокочувствительный гидроакустический приемник, выдерживающий без изменения чувствительности высокие гидростатические давления. ¦ «.

Серьезную перспективу применений Ь-аргинин фосфата в акустооптических устройствах ультрафиолетовой области спектра открывают наши работы по этому материалу.

Полученные параметры материалов используются при подготовке различных физических-экспериментов и при рассчетах устройств.

Апробация работы и публикации.

Работа выполнялась в соответствии с планами научных работ ИК РАНв качестве личной инициативы, а также в рамках международных проектов, поддержанных Международным научным фондом, проектами Миннауки.

Основные результаты изложены в 46 научных публикациях в российских и международных изданиях, авторских свидетельствах, в том числе шести международных патентах в США, Японии и Европе. Результаты и положения * работы докладывались на 11 международных конференциях (Турнов 1978, Прага 1988, Прага 1989, Москва 1990, Солт-Лейк Сити 1993, Монпелье 1994, Сан-Фрациско1995, Сендай1996, Гонулулу 1996, Орландо 1997, Монпелье 1997, Пасадина 1998) и 16 всесоюзных и всероссийских конференциях.

Автор глубоко благодарен И. М. Сильвестровой, в тесном, многолетнем сотрудничестве с которой была получена значительная часть изложенных здесь результатов, и посвящает данную работу доброй ее памяти. Автор также искренне признателен Б. В. Мшшю, впервые синтезировавшему лангаситы, за предоставление образцов и полезные дискуссии, Ч. Барте и Г. Ф. Добржанскому за синтез кристаллов галогенидов ртути и полезные дискуссии, Г. С. Беликовой за выращивание кристаллов бифталатов и ортосульфобензоатов, П. А. Сенющенкову за исследование температурных характеристик лангаситов, Н. А. Моисеевой за вычисление характеристик распространения упругих волн в исследуемых кристаллах, Е. Г. Бронниковой и И. М. Ларионову, В. Г. Чумаку, В. П. Семенкову и многим другим разработчикам акустоэлектронных и акустооптических приборов, дискуссии и сотрудничество с которыми помогали автору в углублении понимания требований к материалам, а также всем неназванным здесь коллегам, сотрудничавшим с автором в процессе выполнения данной работы.

Основное содержание работы.

Физические основы выбора материалов для акустооптики и акустоэлектроники .?

1−1. Акусгооптические материалы.

Фотоупругий эффект основан на изменении показателя преломления прозрачной среды под действием механических воздействий.

Физика взаимодействия существенно зависит от частоты механического воздействия. Здесь можно выделить три области частот. Первая — низкие частоты, когда частоты воздействия ниже частот механического резонанса акустооптического элемента. Третья область, влючает частоты механических колебаний с длиной волной много меньшей диаметра светового луча. Вторая область частот представляет промежуточные частоты между первой и третьей областью. Для каждой из областей характерны свои применения.

К настоящему времени предложен ряд критериев, определяющих эффективность материалов для применений в различных классах акустооптических устройств. Все они прямо пропорциональны в различных степенях показателям преломления и фотоупругим константам и обратно пропорциональны в различных степенях плотности фотоупругой среды и скоростям звука. Высокочастотные широкополосные применения определяют также требование минимального затухания звука, которое в кристаллах при комнатных температурах пропорционально квадрату частоты звука.

До настоящего времени наиболее популярным остается подход Пиннау, который предложил эмпирические подходы к вычислению вышеуказанных параметров, исходя только из знания химической состава кристалла. Из всех определяющих эффективность акустооптического взаимодействия параметров наилучшая ситуация с вычислением средних значений показателей преломления. Показатели преломления сложного соединения можно вычислить достаточно точноисходя из удельного преломления отдельных компонент. Для подавляющего большинства соединений отличие реальных показателей преломления от средних составляет 10−20% ввиду того, что как правило АпУп< 15% .

До настоящего времени, несмотря на ряд успехов в теории, уровень знаний не позволяет достаточно точно оценивать потенциальные величины скоростей звука.. Тем не менее имеются эмпирические соотношения, позволяющие оценить средние скорости звука на основании молекулярного веса и температуры плавления. Пиннау показана возможность оценки средних скоростей сложных соединений., исходя из скоростей компонент. Однако в отличие от показателей преломления им не присуща простая аддитивность: компоненты со слабыми межатомными взаимодействиями в большей степени определяют скорости звука в сложном соединении.

Хуже всего обстоят дела с оценкой величин фотоупругих констант Имеющиеся весьма серьезные теории фотоупругого эффекта практически хорошо описывают дисперсионные характеристики эффекта. Также существенным является анализ вклада вторичного фотоупругого эффекта в пьезоэлектрических материалах из-за комбинации пьезоэлектрического и электрооптического эффектов .В то же время невозможно сделать сколько нибудь удовлетворительной количественной оценки. Трудность эмпирических обобщений связана со существенно меньшим массивом данных по фотоупругим константам по сравнению с данными по скоростям звука и показателям преломления. Пиннау провел анализ известного к 1970 году массива данных по фотоупругим константам, что позволило ему сделать оценку средних фотоупругих констант для нескольких важных классов соединений. На этой основе был предсказан такой эффективный материал как молибдат свинца.

Подход Пиннау имеет ряд ограничений, связанный прежде всего с отсутствием учета влияния анизотропии и с анализом только некоторых классов кристаллов. Автор один из первых обратил внимание на то, что анизотропия может привести к существенному увеличению акустоон гических характеристик по сравнению с усредненными оценками на основании подхода Пиннау. В связи с этим особое внимание было уделено кристаллам с цепочечной и слоистыми типами структур. Автором проведен цикл экспериментальных работ, впервые определяющих знаки вкладов в фотоупругие константы от от различных компонент, составляющих исследуемое соединение.

В настоящее время многие из наиболее широко используемых материалов эффективны прежде всего из-за сильного вклада анизотропии.

1−2 Материалы для акуст (?электроники.

Для акустоэлектроники используются главным образом пьезоэлектрики. К настоящему времени известно большое число пьезоэлектриков, но наиболее используемыми являются кристаллы кварца, а также ниобата и танталата лития .

Наиболее важными параметрами для акустоэлектронных материалов являются скорость и поглощение звука, коэффициент электромеханической связи. При этом для скорости звука особо важным является наличие участков со слабой зависимостью скорости от температуры. Такое поведение встречается далеко не у всех кристаллов. При этом важно найти материал, сочетающий высокие коэффициенты электромеханической связи с термостабильностью. Поглощение звука растет с увеличением частоты, поэтому этот параметр особенно важен при использовании материалов на высоких частотах.

К настоящему времени в связи с развитием систем мобильной связи существует большая потребность в материале с термостабильностью большей, чем у танталата и ниобата лития, и с пьезоконстантами более высоким, чем у кварца.

Возможности предсказания величин скоростей звука обсуждались выше. Наименее разработанным к настоящему времени является вычисление пьезоэлектрических констант. Так же, как и вычисление фотоупругих констант в акустооптике, расчет пьезоэлектрических коэффициентов в настоящее время не позволяет получить сколько-нибудь близкие к эксперименту значения.

1−3 Экспериментальные методы.

Автором был собран или использован ряд установок, для измерения комплекса электроакустических и акустооптических характеристик кристаллов. Установки для измерения скоростей звука различными ультразвуковыми ¦ методами: методом Вильямся, Макскимена, синхрокольца, были разработаны по заказу автора и И. М. Сильвестровой на кафедрах акустики ЛЭТИ и ТРТИ. Автором с коллегами были собраны с использованием ряда узлов, разработанных и изготовленных в СКВ ИК РАН, установки для измерения диэлектрических постоянных, коэффициентов теплового расширения, установки для измерения пьезоэлектрических и упругих постоянных резонансными методами, установки для измерения поглощения звука в диапазоне частот 100 — 3000 МГц, установки для измерения скоростей звука и констант акустооптического взаимодействия по дифракции света на ультразвуке, интерферометрическая установка для измерения пьезооптических и электрооптических констант. Кроме того были созданы системы нагружения: гидростатического до 400 атм и одноосного до 10 тонн. Большая часть измерений проводилась в широком интервале температур.

Все это позволило получать экспериментально набор характеристик кристаллов, достаточный для определения всех независимых компонент тензоров упругости, вязкости, пьезоэлектрического эффекта, диэлектрических констант и их температурных коэффициентов в широком интервале частот и температур и фотоупругих констант в широком интервале длин волн.

По мнению автора, использование такого комплекса методов позволяет намного повысить надежность измерений констант. Так, например, коэффициенты электромеханической связи могут быть получены, во-первых, из измерения скоростей ультразвука в пьезоактиных и непъезоактивных направлениях, а во вторых, из измерения резонансных частот собственных колебаний кристаллических элементов. Теоретически ультразвуковых измерений достаточно для получения полного набора как упругих, так и пьезоэлектрических констант. Однако на практике в реальном кристалле очень часто разброс скоростей по образцу и еще больше от образца к образцу из-за различных дефектов превышает различие в скоростях из-за пьезоэффекта. Поэтому даже использование весьма прецизионных методов не гарантирует получение корректных результатов. Использование комбинации резонансных и ультразвуковых методов позволяет существенно повысить надежность и точность определения упругих и пьезоэлектрических постоянных. Важным дополнением является также использование акустооптических методов, которые позволяют измерять в частности локальные значения скоростей звука, однородность звукового пучка и т. п.

В методическом плане автор особое внимание уделял выделению влияния различных дефектов на измеряемые величины. В частности, при измерении поглощения ультразвука в низкопоглощающих средах создавались условия, когда реализовывались низкие коэффициенты преобразования электромагнитной энергии в упругую и обратно для достижения условия, когда эти потери ниже, чем потери на однократное распространение гиперзвуковой волны по образцу. Такие условия требовали особых усилий по увеличению чувствительности приемного тракта измерительной установки. Кроме того, автором были разработаны методы оценки внутренних напряжений в образце по форме огибающей эхо-импульсных сигналов. Одновременно дефектная структура кристаллов контролировалась с помощью поляризационно-оптических, рентгеновских и других методов. Автором проведен методический анализ источников ошибок при определения фотоупругих констант методом Диксона. Этот метод основан на сравнении с эталоном и считя ттгя исключающим влияния затухания и неоднородностей акустического пучка. Однако автором показаны возможные источники ошибок, связанные с неоднородностями ультразвукового луча, его расходимостью, световыми потерями в измеряемом образце и с рядом других причин.

Ряд исследований проводился в кооперации. Например, изучение неоднородностей рентгеновскими методами и исследование влияния облучения на электрофизические свойства изучаемых кристаллов проводились в кооперации с лабораторией рентгеновской оптики и синхротронного излучения. Исследование корреляции свойств со структурой проводилось совместно с лабораторией рентгеноструктурного анализа.

II Галогениды одновалентной ртути.

II-1. Общие сведения I.

Галогениды одновалентной ртути — кристаллы тетрагональной сингонии, образованные цепочечными молекулами Hal-Hg-Hg-Hal (Hal-Cl, Br, I). Сильные связи вдоль цепочек (в направлении оптической оси) и весьма слабые молекулярные связи между цепочками (особенно в направлении [110]) определяют сильную анизотропию свойств этого семейства кристаллов. Из этих соединений до настоящих работ был известен природный минералкаломель, представляющий хлорид одновалентной ртути — Hg2Cl2 Про него было известно, что он обладает большим двупреломлением, превышающим в четыре раза двупреломление в основном материале для оптических поляризаторов1 кальците. Все это вместе с широкой областью оптической прозрачности, включающей для каломели весь видимый диапазон и значительную часть инфракрасного диапазона (до 20 мкм), давало основания надеяться на его использование для элементов поляризационной оптики.

Основной толчок в фундаментальных и прикладных исследованиях кристаллов галогенидов одновалентной ртути связан с обнаружением нами необычных акустических свойств этих кристаллов и А. А. Каплянским и Ю. Ф. Марковым сегнетоэластических фазовых переходов в них. Фазовый переход в Hg2Cl2 происходит при 185 °К и в Hg2Br2 при 143°К. При этом высокотемпературная центросимметричная тетрагональная фаза D4h переходит в низкотемпературную центросимметричную ромбическую фазу D2h и возникает спонтанная деформация.

II-2 Акустические свойства кристаллов галогенидов ртути.

Нами впервые изучены упругие, фотоупругие и акустические свойства этого семейства кристаллов. На основе ультразвуковых измерений скоростей звука в различных направлениях в этих кристаллах были получены полные матрицы модулей упругости хлорида, бромида -, иодида ртути, а также ряда соединений твердых растворов хлорида-бромида ртути, бромида-иодида ртути .

Таблица I. Скорости упругих волн в кристаллах галогенидов ртути (в м/сек, Т = 20 °С) * ,.

Направление распространения смещения Hg2Cl2 Hg2Br2 Hg2l2.

100] [100] 1625 1487 1361.

001] [001] 3343 3487 3725.

110] [ПО] 2054 1914 1791.

Ю1] [101] 2641 2446 2792.

100] [010] ?305 1249 1204.

100] [001] 1084 1008 871.

110] [110] 347 282 253.

101] [101] 1132 1112 1185.

Помимо весьма сильной анизотропии акустических свойств следует отметить крайне низкие значения одной из сдвиговых скоростей звука в направлении [110], составляющие 347 м/с для хлорида, 282 м/с для бромида и 250 м/с для иодида одновалентной ртути. Эти величины являются рекордно низкими для конденсированных сред. (Обычно величины скоростей звука в твердых телах в 5 — 30 раз больше, а в жидкостях в 3- 7 раз больше вышеуказанных значений).

На основе полученного полного набора упругих констант изучены характеристики рапространения упругих волн в описываемых кристаллах. На рис 1 приведены сечения поверхностей фазовых и лучевых скоростей кристаллографическими плоскостями (100). (001) и (110), а такжезависимости углов между фазовыми и лучевыми скоростями от направления распространения звука в трех кристаллографических плоскостях. Угол между лучевой и фазовой скоростью для звуковой волны с экстремально низкой скоростью звука оказался сильно критичным к направлению распространения. Отклонение направления распространения на два градуса от оси 110 вызывает возрастание угла между лучевой и фазовой скоростью от.

Рис. 1а. Сечение поверхности фазовых скоростей плоскостью (001) для кристаллов галогенидов одновалентной ртути.

Рис. 16. Зависимость угла между лучевой и фазовой скоростьюот направления распространения в плоскости (001) Для кристаллов галогенидов одновалентной ртутиА — участок с очень слабым изменением направления луча продольной волныВ, С — участки с очень сильным изменением направления луча поперечной волны ,.

О до 60°. Весьма существенно сказывается анизотропия и на распространение звукового пучка конечной апертуры. Здесь следует отметить направления как коллимации, так и деколлимации звуковой энергии. Так продольная звуковая волна, с углом расходимости в два градуса при распространении вдоль направления [100] имеет расходимость по энергии в пять минут, как у хороших лазеров. Нами были проведены теоретические расчеты распространения звуковых пучков конечной апертуры в таких сильно анизотропных средах. Экспериментальное изучение распространения звуковых пучков конечной апертуры в кристаллах галогенидов ртути, проведенное с помощью теневых методов, показало хорошее согласование с расчетами.

Основываясь на наших работах, И Чтыроки показал возможность фокусировки звуковой энергии с помощью плоской пластины из галогенида ртути.

Низкие скорости ультразвука в кристаллах галогенидов ртути позволяют использовать их в качестве малогабаритных линий задержки.

11−3 Акустооптические свойства кристаллов галогенидов ртути.

Нами были впервые изучены акустооптические свойства кристаллов галогенидов ртути. Ряд констант акустооптического взаимодействия М2 для кристаллов галогенидов ртути приведен в таблице И. Величина константы как известно, определяется выражением, в которое входят показатель преломления п, фотоупругая константа р, плотность р и скорость звука V:

Уникальность кристаллов галогенидов ртути как акустооптических материалов определяется не только особыми упругими свойствами и высокими константами акустооптического взаимодействия, но и широкой областью оптической прозрачности, включающей для хлорида ртути весь видимый диапазон и значительную часть инфракрасного Эти материалы отличаются также одними из самых высоких величин двулучепреломления (см. таблицу III):

Таблица II.

Акустоогггаческое взаимодействие в кристаллах галогенидов ртуга (комнатная температура. X = 0,6328).

Материал Упругая волна Поляризация Акусто напр.поляр.скорость оптическая м/с константа.

М2 10−15 с3/г.

Hg2Cl2.

Hg2Br2.

100 100 1620 100 506.

100 100 1620 010 304.

110 по 2050 110 273.

100 100 1620 001 190 по 110 2050 ПО 185.

100 010 1300 произв. 8.

110 110 347 произв. 350.

001 001 3270 100 20.

001 001 3270 001 0,2.

100 100 1487 100 805.

100 100 1367 100 947.

Таблица III. Оптические параметры галогенидов ртути (показатели преломления для А. =0,6328 мкм).

Материал область прозрачности. «о пе An.

Hg2Cl2 0,38- 20 мкм 1,96 2,61 0,65.

Hg2Br2 0,45 — 28 мкм 2,02 2,73 0,71.

Hg2l2 0,61 -33 мкм 2,40 3,25 0,85.

Такое сочетание определяет многие особенности акустооптического взаимодействия в кристалах галогенидов ртути. Обычно в кристаллах выделяют два типа акустооптического взаимодействия в кристаллах изотропный без поворота плоскости поляризации и анизотропный с поворотом плоскости поляризации. Нами было указано на существование третьего типа взаимодействия анизотропного без поворота плоскости поляризации, когда поляризации падающего и диффрагированного света относятся к необыкновенным лучам. Тогда высокое двупреломление приводит к специфической зависимости углов синхронизма от частоты.

В таблице IV приведены некоторые характерные частоты акустооптического взаимодействия в кристаллах галогенидов ртути.

Таблица IV. Характерные частоты.

Материал Плоек, рас. звук Частоты, Мщ напр. поляр. дефл. миним. кол.

Нё2С12 IX 001 010 2230 0 0.

7Х 001 010 2368 0 0.

Ж 001 010 2660 0 0.

Нё2С12 ХУ произв 001 2985 1136 1136.

Нё2Вг2 ХУ произв 001 3322 1360 1360.

Н§-212 ХУ произв 001 4305 2096 2096.

Нё2С12 110 110 110 0 0 363.

Нё2Вг2 110 110 110 0 0 382.

Нё212 110 НО 110 0 0 604.

Обращают на себя внимание низкие частоты коллинеарного взаимодействия назад, когда падающая и диффрагированая световые волны распространяются в противоположных направлениях. Для большинства кристаллов такая ситуация реализуется на намного более высоких частотах. Это открывает возможность создания ряда новых перспективных акустооптических приборов.

И-4. Поглощение звука в галогенидах ртути.

Поглощение звука в галогенидах ртути также оказалось сильно анизотропным и существенно разнящимся для различных мод колебаний. Основные компоненты тензора упругой вязкости были определены для кристаллов хлорида ртути, наибольшее поглощение выявилось у одной из наиболее перспективных с практической точки зрения медленной сдвиговой волны. Та же тенденция проявилась у бромида ртути, также как и у иодида ртути.

Однако для одного из составов в ряду твердых растворов бромида-хлорида ртути К^Вго^С^ б было обнаружено резкое снижение затухания (в четыре раза) для самой медленной сдвиговой поперечной волны -311 м/с.

Ш. Кристаллы солей органических кислот III-1. Общие сведения.

Соли фталевой кислотыС6Н5СООХ (X = N8, К, Rb. Cs, N114) и соли ортосульфобензойной кислоты С<-Н580зХ (X = К, Rb. Cs, N114) кристаллизуются в ромбической сингонии. Для структуры этих соединений характерно наличие слоев с чисто молекулярными связями (эти слои параллельны кристаллографическим плоскостям (010)) Молекулы соединений имеют следующий вид:

Бифталаты СН.

Ортосульфобензоаты СН П.

СН I.

СН N.

СН.

Ссоон II.

ССООМе / СН.

С-СООН.

СН СБОзМе \ / СН.

Молекулы в кристаллах располагаются в плоскостях.

При этом часть солей как фталевой, так и ортосульфобензойной кислоты образуют центросимметричную структуру — Т>2 Это бифталат цезия и ортосульфобензоаты калия, рубидия и аммония. Другие соли имеют близкую, но ацентричную структуру С2у Это бифталаты калия и рубидия и ортосульфобензоат цезия.

Ш-2. Диэлектрические, упругие, пьезоэлектрические свойства бифталатов и ортосульфобензоатов.

В таблице V приведены все независимые компоненты матриц упругих, диэлектрических и пьезоэлектрических констант бифталатов и ортосульфобензоатов щелочных металлов.

ТаблицаУ.Модули упругости 4^(10 'Ок/т^), диэлектрические ец^/ео, пьезоэлектрические (^(Ю'^к/К) константы кристаллов ортосульфобензоатов калия (ОСБК), рубидия (ОСБРб), цезия (ОСБЦз), аммония (ОСБАм) и бифталатов калия (БФК), рубидия (БФРб), цезия (БФЦз).

Чк ОСБК ОСБРб ОСБЦз ОСБАм БФК БФРб БФЦз.

41 27,71 32,46 21,78 20,40 18,72 19,92 23,27 с22 15,71 17,67 14,28 15,14 13,69 13,85 14,07 с33 15,06 16,19 11,36 12,35 18,33 15,75 14,09.

С44 6,24 7,54 5,51 5,86 5,15 4,87 5,38 с55 7,26 8,52 5,20 5,96 7.47 6,93 5,86.

С66 5,78 6,82 5,33 4,07 6,58 6.36 5.47 с12 6,92 7,92 10,56 6,96 8,29 10,09 12,63 с13 10,86 12,43 7,83 9,80 11,85 13,03 9,95 с23 7,33 7,42 5,85 6,16 6,77 7,79 6,60 е11 6,0 6,00 5,39 5,56 е22 3,88 3.87 4.91 4.02 е33 4,37 4,34 4,37 3,57.

31 0 0 -6,19 0 -13,8 -21,8 0.

32 0 0 4,26 0 +7,9 +10,7 0.

33 0 0 14,85 0 +4,9 +9,2 0.

15 0 0 -6,14 0 -6,45 -2,5 0.

24 0 0 4,46 0 +3,9 +2,5 0.

Ь 0 0 12,9 0 -1,0 -1,9 0.

Упругие модули данных кристаллов характерны для соединений с молекулярно-ионным типом связи. Упругость по направлению У определяется прежде всего молекулярными связями между фталиевыми или ортосульбензойными анионами. Особенно это проявляется для фталиевых анионов, молекулярная связь между которыми в бифталатах почти не меняется при замене катионов щелочных металлов друг на друга.

Кристаллы ортосульфобензоата цезия и бифталата рубидия имеют высокую чувствительность на прием, определяемую отношением пьезомодуля к диэлектрической постоянной: = 0,38*/ЛГ для ортосульфобензоата цезия;

•^¦ = 0,355Ш.

Оз.

Эта величина в два раза превышает параметр приема для широко используемого в гидроакустике кристалла сульфата лития. 0,5К/М для бифталата рубидия;

33 как видно, чувствительность на прием для бифталата рубидия еще выше, однако ее практическая реализация требует специальной конструкции приемника, исключающей влияние других компонент деформации.

Ш-З. Акустические свойства.

Были подробно изучены особенности распространения упругих волн в кристаллах бифталатов и ортосульфобензоатов. рассчитаны сечения поверхностей фазовых и групповых скоростей звука в данных кристаллах. На рис 2 приведены в качестве примера сечения поверхностей фазовых и групповых скоростей бифталатов плоскостью (010). Важной особенностью бензоатов и бифталатов является низкое поглощение звука на высоких частотах. Эти измерения были проведены в диапазоне частот 100 -1500 Мгц. Результаты показывают, что поглощение звука лежит в пределах 1−3 дб/см Ггц2, что несколько лучше чем данные для кристаллов кварца и молибдата свинца. Интересно отметить, что наибольшее затухание для всех кристаллов этой группы наблюдается для направления [010]. В этом направлении связи в кристаллической структуре определяются ван дер ваальсовыми силами.

1 Сеченке поверхности фазовых скоростей бифталата аммония плоскостями (Oui), (100), (010 (соответственно а. б, в — сплошные линиидля сравнения приведены также данные для E4>i штриховые линииECs — штркхпунктирныеБФКЬ — пунктирные)..

Ш-4. Акустооптияеские свойства Таблица VI. Константы акустооптического взаимодействия М2 в 10″ 15сек3/г кристаллов бифталатов и ортосульфобензоатов.

Материал Упругая волна Свет Акустооптическая.

Напр. поляр. Скорость поляр. пок.прел. константа.

БФК [100] [100] 3380 м/с [100] 1,6555 9,5.

010] 1,6585 15,3.

001] 1,4915 11,1.

010] [010] 2891 м/с [100] 1,6555 48.

010] 1,6585 16,6.

001] 1,4915 46,5.

001] [001] 3365 м/с [100] 1,6555 29,6.

010] 1,6585 25.

001] 1,4915 13,9.

БФРб [010] [010] 2683 м/с [100] 1,6541 15,1.

010] 1,6645 6,0.

001] 1,4997 32,3.

БФЦз [100] [100] 3274 м/с [100] 1,670 24,8.

010] 1,5650 33,0.

001] 1,5297 15,1.

010] [010] 2512 м/с [100] 1,670 30,2.

010] 1,650 10,6.

001] 1,5297 54,4.

001] [001] 2540 м/с [100] 1,670 42,3.

010] 1,650 28,7.

ОСбЦз [100] [100] 3185 м/с [100] 1,608 15,3.

010] 1,612 22,7.

001] 1,528 12,5.

010] [010] 2579 м/с [100] 1,608 40,0.

010] 1,612 12,3.

001] 1,528 44,2.

001] [001] 2430м/с [100] 1,608 50,5.

010] 1,612 28,8.

001] 1,528 39,4.

02 5950 1,52 1,5.

Как видно изтаблицы, данные кристаллы имеют высокие константы акустооптического взаимодействия, которые не могли бы быть предсказаны исходя из подхода Пиннау ввиду весьма низких величин показателей преломления. (Для сравнения константа акустооптического взаимодействия у предсказанного Пиннау кристалла молибдата свинца-РЬМоС>4 составляет в тех же единицах 36×10~15секЗ/г). Большая величина констант акустооптического взаимодействия бифталатов и ортосульфобензоатов определяется высокими значениями фотоупругих констант и малыми значениями плотностей.

IV. Кристаллы со структурой кальций галлиевого германата.

IV-1. Общие сведения..

Кристаллы со структурой кальций-галлиевого германата представляют новый класс соединений, впервые открытый в России в начале 1980 годов. Наболее известное соединение этого класса лантангаллиевый силикат — лангасит. Первые важные работы по синтезу. исследованиям структуры и свойств этих соединений выполнены усилиями ученых МГУ и Института кристаллографии РАН. Автор был в числе тех, кто участвовал в первых работах по исследованию акустических и пьезоэлектрических свойств лангасита и по разработке на его основе первых пьезоэлектрических приборов. Усилиями автора эти работы были развиты как в части исследования пьезоэлектрических, упругих, диэлектрических, акустооптических, теплофизических параметров собственно лангасита, так и других кристаллов из этого семейства..

К настоящему время семейство лангаситов насчитывает свыше сотни соединений, которые можно разбить, согласно Б. В. Миллю, по крайней мере на пять групп:.

1. А32+В23+Ое4014 (А= Са, 8 г, Ва и В=ОаД1,Ре) —.

2. Ка2А2+ОебО!4 (А= Са. Бг) —.

3. КаА22+вЗ+0е5014 (А= Са.Бг.РЬ и В= Оа, А1, Сг, Ре, 1п, 8с) —.

4. ЬпзОазВ^+Ом (1л=Ьа, Рг, 1Ч<1 и В = 81, Ое, Т1, Бп, Ъс, НО-.

5. ЬпзОаз^Во^Ом (Ьп=Ьа, Рг, Ш и В= БЬ^Ь.Та)..

Все эти соединения принадлежат по симметрии к пространственной группе Р321. Выше приведенные соединения можно разбить на две части германаты (группы 1−3) и галлаты (группы 4 и 5). Лангасит (ЬазОазБЮ^), как видно из приведенных выше формул, относится к группе 4..

Интерес к • кристаллам лангасита как материалам для акустоэлектроники вызван необходимостью в материале со свойствами, объединяющими лучшие свойства промышленно используемых кристаллов кварца и ниобата лития. Имеется ввиду, что активно развивающиеся устройства селекции по частоте (прежде всего для мобильной связи) требуют материал с более высокой термостабильностью чем ниобат и танталат лития и более высоким коэффициентом связи чем кварц. Такое сочетание было найдено в 1984 -1985 гт для объемных волн в лангасите в том числе и при участии автора. Несмотря на то, что это почти сразу нашло применение в разработке и внедрении лангаситовых термостабильных монолитных фильтров на объемных волнах, ряд вопросов оставался долгое время нерешенным. В частности добротность резонаторов из лангасита была существенно ниже чем добротность кварцевых резонаторов, несмотря на проведенные автором измерения поглощения акустических волн гиперзвукового диапазона, показавшие, что в лангасите акустические потери существенно ниже чем в кварце.

Второй нерешенной проблемой было отсутствие реальных экспериментальных результатов по нахождению термостабильных срезов для поверхностных акустических волн..

Принципиальной задачей также было установить, присуще ли наличие термостабильных срезов по скоростям ультразвука всем соединениям семейства лангаситов или лангасит является исключением в данном семействе..

В этой связи в последние годы активно исследовались электрофизические свойства данных материалов. Здесь наиболее существенные результаты были получены российскими исследователями, из которых следует особо отметить получение полного набора электроупругих констант и констант упругости третьего порядка лангасита К .С. Александровым, Б. П. Сорокиными и П. П. Турчиным, а также обнаружение Г. Д. Мансфельдом скачка резонансной частоты под одноосным давлением ..

Ниже приведены результаты, полученные по инициативе и с участием автора..

IV-2. Упругие свойства.

В таблице VII приведены данные по скоростям звука ряда кристалллов из различных подгрупп семейства лангасита..

Из таблицы видно, что скорости звука и характеристики распространения ynpyhix волн при комнатных температурах весьма близки..

В то же время анизотропия упругих свойств в кристаллах группы германатов значительно сильнее выражена чем у кристаллов группы галатов. Это хорошо видно из соотношения между модулями Юнга Eji и Е33 для кристаллов La3Ga5SiOi4 (ЛГС), L^Gas^Nbo^O^ (ЛГН), Ca2Ga3Ge4014 (КГГ), Sr2Ga3Ge4014 (СГГ): Материал ЛГС ЛГН КГГ СГГ Ell 11,4 11,1 9,7 9,3.

Е33 18,8 18,8 19,6 17,5.

Таблица VII.

Скорости звука в кристаллах семейства лангасита La3Ga5Sio]4 (ЛГС), La3Ga5)5Nb0>5Oi4 (ЛГН), La3Ga5)5Tao.50i4 (Л1Т), Ca2GasGe40i4 (KIT), Sr2Ga3Ge40j4 (СГГ) при комнатной температуре.

Кристалл ЛГС ЛГН ЛГТ КГГ СГГ.

Направление Тип волны Скорости звука (Ю^м/с) распространения.

Ось X Прод..

Быстр, сдвиг. Медд. сдвиг Ось У Прод.

Быстр, сдвиг Меда, сдвиг Ось Ъ Прод..

Сдвиг..

45о к У и Ъ Прод..

Сдвиг.

5,784 5,667 5,565 5,850 5,576 3,344 3,161 3,141 3,387 3,504 2,354 2,274 2,251 2,47 2,35 5.792 5,665 5,563 5, S57 5,562 2,971 2,866 2,853 3,140 3,319 2,767 2,622 2,610 2,737 2,791 6,753 6,625 6,527 7,226 6.403 3,021 2,860 2,891 3.328 3,155 5,998 5.665 5,596 6,279 5.790 3,141 2,834 2,765 3,328 3,155.

На рис 3 представлены температурные зависимости скоростей звука в ряде кристаллов из данного семейства. Наиболее важной особенностью температурных зависимостей скоростей для кристаллов групп 4 и 5 (обе группы относятся к галлатам) является наличие для некоторых мод аномальной зависимости (роста скорости с температурой). Наличие таких зависимостей и определяет существование практически важных направлений с нулевым температурным коэффициентом первого порядка. При этом, если рассматривать упругие моды в основных кристаллографических направлениях Х, У и Ъ, то аномальные температурные зависимости для ЛГС (так же как и для кварца) наблюдаются только для медленных сдвиговых волн, распространяющихся по X и У. В тоже время у кристаллов пятой группы ЛГН и ЛГТ аномальное поведение наблюдается помимо вышеуказанных и у сдвиговых волн, распространяющихся вдоль Ъ, а также у быстрых сдвиговых волн по У..

В отличие от групп галлатов в кристаллах, относящихся к группам германатов нулевые температурные срезы пока не обнаружены. Наиболее подробно из этих групп исследован кристалл стронций галлиевого германата (СГТ), который обладает одним из самых больших коэффициентов электромеханической связи среди измеренных кристаллов этого семейства. Измерения показали, что скорости всех мод для этого кристалла падают с ростом температуры, что указывает на отсутствие упругих аномалий и как следствие термостабильных срезов для данного кристалла. В то же время, как видно из рис. 3 у всех кристаллов групп галалтов аномальный рост скоростей звука наблюдается для двух сдвиговых мод (рис.Зс и.

1У-З.Диэлектрические свойства.

В таблице УШ приведены диэлектрические постоянные для ряда кристаллов семейства лангаситов при комнатной температуре..

Рис. 3, a-f.

———-Температурные зависимости скоростей упругих яолндя" кристаллов лантащ галлиевого силиката (LGS), ниобата (LGNi) и гангалата (LGT) а) продольные по X, Ь) продольные гю Z, с) продольные в плоскости TZ по. д 45° к Оси Y, d) быстрая сдиигоьая йолнэ по Х О медленная сдвиговая полна по X i) быстрая сдвиговая аодна по V..

2SC0 2895 28Э0 254 $.

SS270 230 2SO 300 310 320 330 2750.

2745 2740 Z/аэ 2730..

270 2M ' 290 300 310 320 330.

2K*.

270 280 290 300 310 320 330.

Татрггаал". К %).

2840 282S 2830 2825.

280 300 320.

Temperalure. К.

Рис. 3 g-k.

J) aa зоо 320 зло 360 zqo Tempenture, К ki.

• Температурные завиемюетн скоростей упругих воли для кристаллов лантан галлиевого силиката (LGS), шюоата (LGN) и таоталата (LGT) g) медленная сдвиговая волна по Y, h) сдвиговая по Z,^{оыеграя} сдвиговая волна в плоскосш YZ под 45° с Y, к) медденная сдвиговая волна в плоскости YZ под 45° с Y..

Таблица.УШ.

Диэлектрические проницаемости кристаллов ЬазОа58Ю14 (ЛГС), Ка3Оа58Ю]4 (НГР, Ьа30а5Се014 (ЛГГ), ЬазОа5−5КЬ015О14 (ЛГН), ЬазОа5)5Тао.5014 (ЛГТ), СагОазО^Ом (КГГ), вг^ЗазСЗ^Он (СГГ) при комнатной температуре.

Материал ЛГС НГС ЛГГ ЛГН ЛГТ ЮТ СГГ 8П 19,0 22,3 20,8 20,1 19,8 15,5 13,8 е33. 51,7 73,5 55,4 79,9 62,7 24,2 18,21.

Из таблицы VIII видна большая анизотропия диэлектрических постоянных и существенная разница в величине постоянных между галлатами и германатами..

Диэлектрическая постоянная ?33 для всех исследованных кристаллов группы лангаситов быстро растет с понижением температуры до 60°К. Особо сильный рост диэлектрической константы е3э наблюдается для кристаллов из подгрупп галлатов. Для лантан-галлиевого ниобата были проведены измерения до гелиевых темератур. Из рис 4 видно, что при температурах ниже 40°К диэлектрическая проницаемость практически перестает изменяться, что позволяет отнести данные соединения к квантовым параэлектрикам. У наиболее известных квантовых параэлектриков титаната стронция и ниобата калия температура появления квантового параэлектрического состояния Та очень низка и составляет соответственно 4°К и 1,6°К. Для исследуемых соединений эта температура превышает 25°К..

Высокотемпературное поведение диэлектрических свойств кристаллов данного семейства было исследовано на частоте 1кгц. При нагреве выше комнатной температуры в лангасите, начиная с +250°С, начинается резкий рост диэлектрических потерь. В кристаллах лантан-галлиевого ниобата резкий рост диэлектрических потерь на той же частоте начинается значительно позже (400 °С). Основное различие между двумя соединениями в различных позициях ниобия и кремния в структуре. Галлий в этих соединениях находится в трех различных позициях Iоктаэдрическая, II — Ш-тетраэдрические. При этом.

Е33.

130 г..

•А. Ч г ч.

V.. V.

10° ю1 ю2 ю3.

Тетрепниге.

Рис-^. Зависимость диэлектрической проницаемости 533 от температуры для кристалла лантан галлиевого танталата. Зависимость демонстрирует практическое, постоянство величины е33 при низких температурах, характерное для каанговых параэлектриков. кремний в лангасите находится в позиции III, а ниобий в ланганите в позиции I..

Особенностью кристаллов со структурой лангасита из подгруппы галлатов является различный знак температурных коэффициентов ец и езз, определяемый низкотемпературными диэлектрическими аномалиями вдоль оптической осн. Это указывает на существование срезов с нулевым температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости для этих материалов. 1У-4. Пьезоэлектрические свойства.

Пьезоэлектрические константы измеренных кристаллов из семейства лангаситов приведены в таблице IX.

Таблица IX. Пьезоэлектрические модули <1^ (в 10−12 к/Н), пьезоэлектрические постоянные е^ (в к/м^) и коэффициенты электромеханической связи к2б кристаллов ЬазОазБЮ^ (ЛГС), N?303 581 014 (НГС), ЬазОазОеОм (ЛГТ), Ьа3Оа515КЬо)5014 (ЛГН), ТазОа5,5Та0.5О14 (ЛГ1), Са20а30е4014 (КГТ), Бг^Заз&^Ои (СГГ) при комнатной температуре.

ЛГН ЛГТ НГС НГТ КГТ -6,63 -7,0 -5,8 -5,9 -5,35 5,55 5,6 4,8 5,1 2,4 -0,47 -0,55 -0,41 -0,40 -0,34 0,12 0,14 0.08 0.08 0.01 0.17 0.21 0,11 0.13 0.12 в таблице значения электромеханической связи кристаллов из семейства лангаситов лежат между величинами соответствующих констант кристаллов кварца и ниобата лития. Наибольшее значение констант для данного семейства из всех измеренных кристаллов у кристалла стронций галлиевого германата..

1У-5. Поглощение ультразвука и добротность Лангаситы имеют низкое поглощение звука на высоких частотах. Ниже приведены полученные нами методом Баранского (по возбуждению за счет собственного пьезоэффекта) данные для поглощения звука на частоте 1 Ггц при комнатной температуре: Материал Мода ЛГС ЛГН НГС СГГ Кварц Затухание прод. Х 0,45 0,68 0,53 0,59 2,4 дб/смГгц2 сдвигУ 1,6 1,9 1,5 2,8 3,5.

Материал ЛГС dn -6,16 dj4 5,36 ei i -0,45 ej4 0.09 к2б 0.16 Приведенные.

СГГ -9,3 6,8 -0,57 0.05 0.26 коэффициентов.

После наших исследований, проведенных в 1984;1989 гг, в 1994 г Г. Д. Мансфельд провел измерения поглощения звука в более широком интервале частот 1−10 Ггц методом составного вибратора. Эти результаты не только сильно расширили частотный интервал измерений, но и позволили провести измерения в непьезоактивном направлении — по оптической оси. Измерения Г. Д. Мансфельда подтвердили наши данные, указывавшие на более низкий уровень акустических потерь в лангаситах по сравнению с потерями в кристаллах кварца..

V. Органические кристаллы LAP.

Органические кристаллы L-аргинин фосфата (LAP) принадлежа! к моноклинной системе 2. Эти кристаллы с недавних пор используются в нелинейной оптике ввиду прозрачности в ультрафиолетовой области спектра от 200 нм и высоким нелинейно-оптическим константам..

Нами были измерены полные наборы независимых упругих, пьезоэлектрических и диэлектрических констант. Измерения показали, что этим кристаллам присущи типичные для органических кристаллов низкие величины скоростей звука и диэлектрических постоянных..

Кристаллы LAP оказались сильными пьезоэлектриками с наибольшим коэффициентом связи, достигающим 25%..

Особо интересными оказались результаты измерения констант акустооптического взаимодействия М2. Величины этих констант достигали для определенных комбинаций скоростей звука и поляризации света величины. превышающей соответствующую константу кварца в 35 раз. Это является к настоящему времени наибольшей величиной для ультрафиолетового диапазона длин световых волн 200−340 нм..

VL HgS, ZnS-MgS..

Помимо кристаллов галогенидов одновалентной ртути были исследованы и другие бинарные соединения..

VI-1. HgS. Сульфид ртути (киноварь) принадлежит к тригональному классу 32. Для него французскими исследователями были найдены высокие константы акустооптического взаимодействия. Нами был получен полный набор упругих, пьезоэлектрических и диэлектрических констант данного кристалла. На основе этих данных были исследованы особенности распространения упругих волн в кристаллах киновари..

У1−2. глЭ-Мяв. Кристаллы сульфида цинка кристаллизуются как в кубической сфалеритовой структуре, так и в гексагональной вюрцитовой структуре. Большой комплекс данных по упругим, пьезоэлектрическим, диэлектрическим свойствам, а также по поглощению гиперзвука был получен для систем твердых растворов гпБ-Л^Б. В частности для этих кристаллов было обнаружено возрастание пьезоэлектрического модуля с ростом концентрации сульфида магния до 15%. При дальнейшем росте концентрацииЛ^Б пьзомодуль падает. уп. гю2-у2с>з..

Для этих кристаллов кубической сингонии были измерены упругие и фотоупругие модули в зависимости от концентрации оксида иттрия. На примере этой системы показано возможность различия знаков вклада в фотоупругих константы от различных компонент. При изменении концентрации окиси иттрия одна из фотоупругих констант как видно на рис 5 уменьшается до нуля и, меняя знак, снова начинает расти..

УШ. ТеС>2.

Парателлурит является одним из наиболее важных акустооптических материалов. В этом материале немецкими учеными была обнаружена весьма низкая скорость одной из сдвиговых мод -617 м/с, а японскими ученымивысокая константа акустооптического взаимодействия. Нами были проведены комплексные исследования пьезоэлектрических, упругих, диэлектрических свойств парателлурита в широком интевале температур и давлений. Большое внимание было уделено изучению особенностей поглощения гиперзвука в этом материале. Была выявлена корреляция анизотропии тепловых колебаний атомов теллура, измеренных рентгеновскими методами с анизотропией поглощения гиперзвука. Также показана возможность улучшения поглощения медленной сдвиговой моды за счет введения примесей селена..

0.12 12.

0.08 Го^К.

0.04.

Г 0.00.

-0.04 *.

-0.08 -о—-/~р —9— - А «Ачэ — 1 111 111.

1.08 ^ .04 о.

096 0.92 40.88.

1 ОГ.

-2 -3 -4.

8 Ю 12 14 16 18 20.

Рис. 5. Зависимость фотоупругих констант кристаллов системы 2г02-У20з от концентрации У2Оз.

IX. Анизотропные эффекты акустооптических взаимодействий Анизотропные эффекты весьма важны при изучении и применении акустооптических взаимодействий в кристаллах. Автор настоящей работы рассматривал те аспекты. которые оосбенно важны для изучения параметров" материалов. Кроме того, были проведены изучения особенностей акустооптаческого взаимодействия, помогающие понять работу некоторых акустооптических устройств, в разработке которых автор участвовал..

IX-1. Особенности акустооптических взаимодействий в оптически двуосных кристаллах..

В развитие работ Диксона автором впервые были получены выражения для рассчета условий синхронизма в оптически двуосных кристаллах. В частности, получены выражения для различных практически важных характерных частот: минимальной, максимальной и частоты с минимальным углом синхронизма. Эксперименты были проведены на кристаллах бифталатов щелочных металлов и Ь — аргининфосфата и хорошо подтвердили расчеты. Для измерения фотоупругих констант также существенны поляризационные соотношения между падающей и дифрагированной волной. Было показано, что в ряде случаев невозможно выделить случаи, когда участвует только одна фотоупругая константа, и получены выражения для расчета измеренных констант 1Х-2.Многочастотные акустооптические взаимодействия в анизотропной среде.

В экспериментах часто встречаются случаи когда свет взаимодействует одновременно с несколькими ультразвуковыми сигналами. Это особенно важно при использовании акустооптаческого взаимодействия для спектрального анализа ультразвукового сигнала. Автором изучены теоретически и экспериментально многочастотные акустооптические взаимодействия в анизотропной среде. На основе известных уравнений для вычисления интенсивности акустооптаческого взаимодействия в анизотропной среде автором получены системы уравнений для случая одновременного взаимодействия со светом нескольких ультразвуковых сигналов с различными частотами.

АМС&-" ] (1Х-2−1) се (ш1.

Ь=1 гфи 0>0, ё=-1. при 0>0, Ь=-1 при 0<0, <1=1 при в<0 где О? амплитуда световой волны, О — порядок дифракции, Ггчастота и кг* - волновой вектор ультразвука, а.

3 Э п2 у *.

МЛ 11/2 (1Х-2−2).

К, А *н для двух практически важных анизотропных случаев дифракции Брэгга система уравнений принимает вид:.

1) для однофононной дифракции, когда условия синхронизма удовлетворяются для нулевого и первого порядков дифракции в полосе частотах-2″ 3) кгС^-МАСГ.

Ь=1 при а>0, с≠-1 при, а >0 Ь=-1 при, а <0, d=l при а<0.

2) для двухфонноной дифракции, когда условия синхронизма соблюдаются для нулевого первого и второго порядков дифракции в широкой полосе частот: (1Х-2−3) сводится к трем системам.

11=1 прип>0, ?2=1 прип<0 ё1=-1 при п<0, ?2—1 при п<0.

-= М*' СЗ" ~ + йхМ^Ч^+йгМг.

Ы=1, п>0, Ь2=-1,п<0 Ы=-1,п<0, Ы = 1, п>0.

Cl -= Mibicf'+/' - Aiifocf.

Для этих двух случаев приведенных выше систем уравнений использовано решение в виде матричной экпоненциальной функции.

С=кеш = (IX-2−5) л!.

При условии можно ограничиться конечным числом членов ряда и для этого допущения получены соотношения для расчета интенсивностей дифракционных световых волн, соответствующих различным комбинациям частот взаимодействующих ультразвуковых сигналов..

Так, например, для однофонноной двухчастотной дифракции выражения для амплитуд некоторых волн имеют вид:.

3 г5.

2 Mi Л^Н-^TIiWI+М$(Л/!+4 Mi MI) о 1/U.

L3 г5 сС = Мг L — —(MI + 2 Мг А^Н—гСМ? + М$КМ1 +4 Mi Ai?) о 120.

72 /4 c{" /7 = ^MiM2-^TMiMjIM2i + 3M5).

2 24.

MUn+3 Aii) o 12U.

IX-2−6).

Ошибка из-за ограничения числа членов ряда равна д <^ымдаф Ш + 31м1Г) ец (IX-2−7).

Экспериментальные исследования проведены для много частотных взаимодействий в кристаллах парателлурита и каломели. На рис 6 приведены зависимости интенсивностей комбинационных частот от мощности ультразвука..

Эксперименты подтвердили расчеты, что в случае двухфононного акустооптического взаимодействия заметные интенсивности дифракционных световых волн соответствующих комбинациям частот исходных ультразвуковых сигналов появляются при значительно меньших интенсивностях ультразвука (10 мвт в случае кристалла парателлурита), чем для однофононной дифракции..

Заключение.

Приведенные выше результаты расширяют наши знания о материалах для акустооптики и акустоэлектроники и в настоящее время активно используются как при фундаментальных исследованиях, так и при создании акустооптических и акустоэлектронных устройств..

Эти результаты также могут служить основой для улучшения существующих материалов прежде всего в ряде исследованных семейств, таких как семейства лангасита, галогенидов одновалентной ртути и солей органических кислот..

Продемонстрированная выше сильная анизотропия упругих и фотоупругих свойств указывает на важность дальнейших исследований связи этих параметров со структурой кристаллов. Это особенно актуально и ввиду возможности проведения структурных исследований на мощных источниках рентгеновсого излучения, позволяющих получать информацию о структуре на образцах объемом несколько кубических микрон..

Основные результаты и выводы.

1. Получены аналитические соотношения для многочастотных акустооптических взаимодействий в анизотропной среде и проведена их экспериментальная проверка.

Рис. ¿-" Зависимость интенсивности. многочастотного юапмодакташ от параметра модуляции при взаимодействии света с двумя ультразвуковыми атиитш частот и ?.1- одиофононная дифракция Брэгга, 2- дифракция Ра. уаиа-Ната.Здвухфопошия днфракния Брэгга..

2. Измерены полные матрицы упругих пьезоэлектрических, диэлектрических, фотоупругих констант кристаллов бифталатов щелочных металлов, ортосульфобензоатов щелочных металлов, галогенидов одновалентной ртути, сульфида ртути, Ь-аргинин фосфата, титанилфосфатов калия и рубидия, твердых растворов сульфида цинка-сульфида кадмия Обнаружены:.

-высокие коэффициенты акустооптического взаимодействия в кристаллах солей органических кислот,.

-высокие константы акустооптического взаимодействия в кристаллах галогенидов одновалентной ртути,.

-рекордно низкие скорости звука и другие акустические аномалии в кристаллах галогенидов одновалентной ртути,.

-существенное снижение поглощения гиперзвука в соединении Н§ 2Вг1)2С1о)8 из системы твердых растворов бромида-хлорида ртути за счет коррекции фононного спектра. 3. Изучены особенности распространения акустических волн в сильно анизотропных кристалллах галогенидов одновалентной ртути..

4. Уточнены критерии и направления поиска новых эффективных акустооптических материалов..

5. Установлены закономерности поведения упругих свойств в кристаллах солей органических кислот..

6. Предложен кристалл Ь-аргинин фосфата в качестве нового эффективного акустооптического материала для ультрафиолетовой области спектра..

7. Экспериментально получен комплекс электрофизических характеристик кристаллов семейства лангаситов в широком интервале температур..

Обнаружены упругие аномалии в кристаллах лантангаллиевого силиката, лантангаллиевого ниобата и лантангаллиевого танталата, обеспечивающие сочетание более высокой. чем в ниобате и танталате лития термостабильности упругих свойств и резонансных частот упругих колебаний с более высокими чем в кварце коэффициентами электромеханической связи..

Аномалии диэлектрических свойств ланганита, присущие квантовым параэлектрикам..

Низкие диэлектрические потери при высоких температурах в кристаллах лантан галгшевого ниобата и стронций-галлисвого германата., к.

Срезы с нулевыми температурными коэффициентами для диэлектрических констант в кристаллах лантан галлиевого ниобата и тантал ата..

1. И. М. Сильвестрова, Ч. Барта, Г. Ф. Добржанский, Л. М. Беляев, Ю. В. Писаревский. Упругие свойства кристаллов Hg2Cl2-Кристаллография, т.20 в.2, с359−365, 1975..

2. И. М. Сильвестрова, Ч. Барта, Г. Ф. Добржанский, Л. М. Беляев, Ю. В. Писаревский. Акустооптические свойства кристаллов каломели. Кристаллография, т.20, в.5, 1062−1064, 1975..

3. I.M. Silvestrova, Yu. V. Pisarevsky, C. Barta, N.A.Moiseeva. Elastic, Photoelastic and Acoustic Wave Propagation in Single Crystals of Mercury Halides. Proc.Rus.-Chech. Symp on Univalent mercury Halides, pi 15−132. 1978.

4. Yu.V. Pisarevsky. I.M.Silvestrova Acoustooptical Interactions in Crystals of Mercury Halides. Proc.Rus.-Chech. Symp. on Univalent Mercury Halides, p.132−137, 1978.

5. C. Barta, I.M.Silvestrova, N.A.Moiseeva, Yu.V.Pisarevsky. Propagation of Acoustic Waves in Crystals of Univalent Mercury Halides. Kristall und Technik 15, 7, 1980, p 843−848..

6. Yu. V. Pisarevsky, I.M.Silvestrova, C. Barta, Acoustooptical, Phoelastic, Acoustical and Elastic Properties of Hg2X2 Single Crystals. Proc, Intern, Symp. on Univalemt Mercury halides Trutnov 1989 p.73 -81..

7. Н. А. Моисеева, И. М. Сильвестрова, Ю. В. Писаревский. Акустооптические свойства кристаллов. Бифталат калия. ИКАН. Москва, 1977..

8. И. М. Сильвестрова, Н. А. Моисеева, Ю. В. Писаревский. Акустические свойства кристаллов бифталата аммония. Кристаллография, т.39, в. З 1994. с. 505−507..

9. И. М. Сильвестрова, Ю. В. Писаревский, Н. А. Моисеева Акустические свойства кристаллов ортосульфобензоатов калия рубидия цезия и аммония. Кристаллография 1997. т.42. 1 с. 135−140.

10. И. М. Сильвестрова, А. В. Виноградов, В. В. Шигорин, Т. Н Турская ., Г. С. Беликова, Ю. В. Писаревский. Упругие, пьезоэлектрические, акустооптические свойства кристаллов ортосульбензоата цезия Кристаллография 1990, т.35, 4 с.906−911..

11. Yu.V.Pisarevsky, I.M.Silvestrova, R. Voszka, A. Peter, I. Feldvari, J.Janszky. Elastic and Acoustic Properties of ZnW04 Single Crystal, Phys.Stat. Sol.(a), 107, pl61−164 (1988).

12.И. М. Сильвестрова, Т. М. Полховская, Ю. В. Писаревский. Упругие свойства кристаллов молибдатов гадолиния и тербия в зависимости от механической нагрузки. Кристаллография, т.23, в.4. с.870−871, 1978..

13. И. М. Сильвестрова, В. А. Кузнедов, Н. А. Моисеева, Е. П. Ефремова, Ю. В. Писаревский, Пьезоэлектрические и акустические свойства кристаллов киновари, Физика твердого тела. т28, в.1 1986 с180−187..

14. И. М. Сильвестрова, Н. Ф. Обухова ., Л. В. Атрощенко, Л. А. Сысоев, Ю. В. Писаревский, Пьезоактивность системы ZnS-MgS. Неорганические материалы, т.14. в.6 1978 с.1031−1035..

15. Л. В. Атрощенко, Н. Ф. Обухова, Ю. В. Писаревский, И. М. Сильвестрова, Л. А. Сысоев, Закономерности изменения свойств твердых растворов ZnS-MgS, CdS-MgS, CdSe-MgSe.

В кн. Свойства сложных полупроводниковых соединений с 189−198 Кишинев Наука. 1979..

16. И. М. Сильвестрова, Ю. В. Писаревский, Л. А. Сысоев, Н. Ф. Обухова. Поглощение гиперзвука в кристаллах ZnS-MgS. труды 11 Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике. Душанбе 1981, с. 192−193..

17. I.L.Chistyi, I.L.Fabelinskii, V.F.Kitaeva, V.V.Osiko, Yu.V.Pisarevsky, I.M.Silvestrova and N.N. Sobolev. Experimental Study of the Properties of Zr02-Y203 and НЮ2-У20з Solid Solutions. Joum. of Raman Spectr, v6, n4. pi83−192, 1977..

18. И. М. Сильвестрова, Н. А. Моисеева, Ю. В. Писаревский Многочастотные взаимодействия в анизотропных средах ВИНИТИ, 1982. cl-82..

19. И. М. Сильвестрова, Н. С. Спиридонова, Н. А. Моисеева, Ю. В. Писаревский. Акустооптические свойства кристаллов. Йодноватая кислота а-НЮзИКАН. Москва, 1991..

20. И. И. Никифоров, Ю. В. Писаревский, И. М. Сильвестрова. Фотоупругий измерительный преобразователь. А.С. 1 649 315. 15.01.1991..

21. В. П. Семенков, Н. С. Голубева, И. М. Сильвестрова, Ю. В. Писаревский. Способ реализации акустооптического взаимодействия. А.С. 822 653 12.12.1980..

22. В. П. Семенков, В. Д. Климов, И. М. Сильвестрова, Ю. В. Писаревский. Способ двухкоординатного сканирования светового излучения. A.C. 923 288. 15.08.1980..

23.Ю. В. Писаревский, И. М. Сильвестрова. Акустооптический спектральный фильтр. А.С.556 655. 7.01.1977..

24. Ю. В. Писаревский, И. М. Сильвестрова, Ч. Барта, И.Чтыроки. Акустооптический элемент. 699 928. 27.07.1977..

25. Ю. В. Писаревский, И. М. Сильвестрова, Ч. Барта, И.Чтыроки.А.С.740 015.14.02.1980..

26. Ю. В. Писаревский, И. М. Сильвестрова, Ч. Барта, И.Чтыроки.акустооптический элемент А.С.797 382. 15.09.1980..

27. Ю. В. Писаревский, И. М. Сильвестрова, Ч. Барта, И.Чтыроки. Акустооптический элемент А. С 797 392.

28. В. И. Пополитов, Р. И. Бичурин Ю.В.Писаревский, И. М. Сильвестрова, Способ получения кристаллов на основе двуокиси теллура. АС 1 649 850.

29. И. М. Сильвестрова, Ю. В. Писаревский. Способ уплотнения каналов в многоканальном модуляторе света. А.С.485 402. 12.10.1975..

30.В. П. Семенков, Н. С. Голубева, И. М. Сильвестрова, Ю. В. Писаревский. Лазер со сканированием излучения. A.C. 708 921. 18.04.1978..

31. И. М. Сильвестрова, Б. В. Милль, А. А. Каминский, Ю. В. Писаревский, Г. Г. Ходжабагян. Пьезоэлектрический материал..

A.C. 765 324 07.11.1983..

32. А. Н. Лобачев, Л. М. Беляев, И. М. Сильвестрова, Ю. В. Писаревский, О. Ю. Лазаревская. Пьезоэлектрический материал. A.C. 719 428.

33. И. М. Сильвестрова, Ю. В. Писаревский, В. И. Воронкова,.

B.К.Яновский. Пьезоэлектрические, упругие и диэлектрические свойства кристаллов RbTi0P04. Кристаллография, т. 35, в.1, 229 230,1990..

34. И. М. Сильвестрова, В. А. Маслов, Ю. В. Писаревский. Упругие, пьезоэлектрические и диэлектрические свойства кристаллов КТЮРО4, Кристаллография, т. 37, в.5, с 1327−1231, 1992..

35. И. М. Сильвестрова, Г. Н. Набахтиани, В. В. Козин, В. А. Кузнецов, Ю. В. Писаревский. Упругие, пьезоэлектрические и диэлектрические свойства кристаллов LAP. Кристаллография, т.37, в.5, 1227−1231, 1992..

36. N.L. Duderov, L.N.Demianetz, A.N.Lobachev, Yu.V.Pisarevsky, I.M.Silvestrova. Na2CoGe04 single crystals growth and study of their piezoelctric and elastic properties. Journ. of Crystal Growth, v.44, 483−491, 1978..

37. И. М. Сильвестрова, Ю. В. Писаревский, П. А. Сенющенков, А. И. Крупный. Температурные зависимости упругих свойств монокристалла La3Ga5SiO]4- Физика твердого тела т.28, в.9, 1986.

38. И. М. Сильвестрова, Ю. В. Писаревский, А. А. Каминский, Б. В. Милль .Упругие, пьезоэлектрические и диэлектрические свойства кристаллов La3Ga5>5Nbo)5C>i4 Физика твердого тела, 29, в.5 1987 с. 1520−1522.

39. Н. А. Моисеева, Ю. В. Писаревский, И. М. Сильвестрова, Н. С. Спиридонова. Упругие постоянные третьего порядка монокристаллов а-НЮзАкустический журнал, т.36, вып. 3. 511 515,1990..

40. I.M.Silvestrova, Yu.V.Pisarevsky, V.V.Bezdelkin, P.A.Senyushenkov. Present stage La3Ga5SiOj4 research.Proc. International IEEE Frequency Control Symp. 1993 p. 348−352. Solt Lake city USA..

41.I.M.Silvestrova, Yu.V.Pisarevsky, V.V.Bezdelkin, P.A.Senyushenkov. New Piezoelectric materials. Proc. International IEEE Frequency Control Symp. 1993 p. 353−357. Solt Lake city USA.

42. Yu.V.Pisarevsky, P.A.Senyushenkov, A. Medvedev, S.A. Sakharov. New data on temperature stabilyty and acoustic losses of langasite crystals. Proc. International IEEE Frequency Control Symp. 1995 p. 647−651. San-Francisco USA.

43.. Yu.V.Pisarevsky, P.A.Senyushenkov, A. Medvedev, S.A. Sakharov. Proc. International IEEE Frequency Control Symp. 1995 p. 353−357. San-Francisco.USA.

44. T.V.Christoforova.V.N.Christoforov, B.V. Mill, Yu.V.Pisarevsky, P.A.Senyushenkov. Temperature characteristics of Janganile bulk wave plates. Proc. International IEEE Frequency Control Symp. 1996 p. 353 357. Honolulu, Hawaii. USA.

45. V.N.Fedoretz, Yu.P.Kondratyev, B.V.Mill, V.A.Pankov, Yu.V.Pisarevsky, N.Timashev. Surface acoustic wave characteristics on La3Ga5SiOj4 crystals. Proc. International IEEE Frequency Control Symp. 1997 p. 353, Orlando. USA..

46. Yu.V. Pisarevsky, B. V'.Mill, P.A.Senyushenkov. Elastic, piezoelectric and dielectric properties of La3Ga5 5Tao>sO 14 single crystals. Proc. International IEEE Frequency Control Symp. 1998 p. 353, Pasadena. USA..

Общая характеристика работы 3.

Основное содержание работы 10.

I Физические основы выбора материалов для акустооптики и акустоэлектроники 10.

1−1. Акустооптические материалы 10.

1−2 Материалы для акустоэлектроншси 12.

Экспериментальные методы 12.

II. Галогениды одновалентной ртути 15.

III. Кристаллы солей органических кислот 20.

IV. Кристаллы со структурой 25 калышйгаллиевого германата.

V. Органические кристаллы LAP 31.

VI. HgS, ZnS-MgS 31.

VII. ZrO?-Y2O3 32.

VIII. TeO2 32.

IX. Анизотропные эффекты 33 акустооптических взаимодействий.

Заключение

36.

Основные резз’льтаты и выводы 36.

Список литературы

39.

Подписано в печать 2 сентября 1998 года. Формат 60×84/16. Заказ № {8 (Тираж 114 экз. П.л. 3,25. Авт.л. 2,4 Отпечатано в РИИС ФИАН. Москва, В-333, Ленинский проспект, 53 Тел.: 132 5128, 132 6137, 132 6839, 132 6298.