Universität zu Köln

Piezooptische und elektrooptische Untersuchungen ausgewählter nicht-zentrosymmetrischer Borate

Schmid-Rausch, Katja (2008) Piezooptische und elektrooptische Untersuchungen ausgewählter nicht-zentrosymmetrischer Borate. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Die vorliegende Arbeit widmet sich der Untersuchung der piezooptischen und elektrooptischen Eigenschaften der polaren Borate Lithiumtetraborat Li2B4O7 (4mm), Bleitetraborat PbB4O7(mm2) und Bismuttriborat BiB3O6 (2). Hierfür wurde eine neue Messzelle entwickelt, die es ermöglicht, einen dynamischen Druck auszuüben. Die piezooptischen Messungen wurden interferometrisch mit Hilfe eines Jamin-Interferometers anhand der sog. Absolutmethode durchgeführt. Die dynamische Druckzelle ermöglicht die Ausübung einer homogenen, uniaxialen mechanischen Spannung mit einer Druckkraft bis 20 N auf die quaderförmigen Kristallpräparate. Die Messungen können in einem Druckfrequenzbereich von 80 Hz bis 120 Hz durchgeführt werden. Die im Messkristall druckinduzierte Gangunterschiedsänderung wird im Interferometer elektrooptisch mit einem bekannten Vergleichskristall kompensiert. Testmessungen an KCl (q1122 = 3,0(2)E-12 m^2/N) und CaF2 (q1122 = 1,28(12)E-12 m^2/N) zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit der Literatur. Der piezooptische Tensor des monoklinen BiB3O6 besitzt 20 unabhängige Komponenten. Für den Zugang zu diesen Tensorkomponenten wurde eine allgemeine Strategie entwickelt, welche es erlaubt, auch für den triklinen Fall symbolische Messgleichungen aufzustellen. Die bereits bekannten elastischen Tensoren gestatten es, mit den im Rahmen dieser Arbeit bestimmten piezooptischen Konstanten die elastooptischen Tensoren zu berechnen. Mit dem Maximalwert von 5,7(10)E-12 m^2/N (q1133) hat Li2B4O7 einen 8fach so großen piezooptischen Effekt wie PbB4O7. Die Extremwerte der longitudinalen (q'3333) sowie transversalen (q*1133) piezooptischen Effekte von Li2B4O7 korrelieren mit den Hauptbindungsketten der B-O-Einheiten. Bei dem gerüstartigen Bleitetraborat ist die räumliche Entfaltung von q'3333 erwartungsgemäß sehr gering ausgeprägt. BiB3O6 weist eine extreme Anisotropie des piezooptischen Effektes auf, die weitgehend der elastischen Anisotropie folgt. Sehr große piezooptische Effekte ergeben sich bei einem uniaxialen Druck entlang [010] sowie bei einem Druck mit einem großen Scheranteil senkrecht zur 2-zähligen Achse. Die piezooptischen Konstanten liegen im Bereich von 16,4(5)E-12 m^2/N (q1122) bis -14(12)E-12 m2/N (q1131). Das Bismuttriborat, BiB3O6, weist mit die größten bekannten elastooptischen Koeffzienten mit p2233 = 0,83(14), p1131 = -1,2(18) auf. Die Anisotropie der elastooptischen Konstanten von BiB3O6 ist ähnlich stark ausgeprägt wie diejenige des piezooptischen Effektes. Dabei folgt die Anisotropie des longitudinalen elastooptischen Effektes p'1111 den Hauptbindungsketten [BO3]-[BO4].

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    In this thesis the piezo-optic and electro-optical properties of the polar crystals lithium tetraborate Li2B4O7 (point group 4mm), lead tetraborate PbB4O7 (point group mm2) and bismuth triborate BiB3O6 (point group 2) were studied. For this purpose a dynamic device for the generation of homogeneous low frequency uniaxial mechanical stress was developed and integrated into an optical interferometer. For the determination of the piezo-optic coefficients the stress induced optical retardation in a crystal sample was measured using a Jamin interferometer. The dynamic device allows the application of a periodic uniaxial mechanical stress onto a rectangular parallel-epipedal crystal sample using a compressive force up to 20 N. The available frequency of the mechanical stress ranges from 80 to 120 Hz. Within the Jamin interferometer the pressure-induced path difference in the sample crystal is compensated by the optical path difference of a reference crystal which is induced by its electro-optical effect. Results of piezo-optic measurements of potassium chloride (with q1122 = 3.0(2)E-12 m^2/N) and calcium fluoride (with q1122 = 1.28(12)E-12 m^2/N) agree well with literature data. A general strategy, including a computer program for the generation of symbolic equations for the determination of all 36 components of the piezo-optic tensor in triclinic crystals, was developed and successfully applied to the determination of the twenty independent tensor components of the monoclinic BiB3O6. In addition, all components of the piezo-optic tensor of orthorhombic PbB4O7 and of tetragonal Li2B4O7 were measured. Using these data together with elastic constants from literature the elasto-optical coefficients of the presented tetraborates were calculated. The longitudinal and transverse piezo-optic coefficients q'3333 and q*1133 of Li2B4O7 are nearly one order of magnitude larger than those of PbB4O7. The directions where extreme values of the longitudinal and transverse effects q'3333 and q*1133 in both, Li2B4O7 and PbB4O7, occur coincide with the bonding chains of borate units. The piezo-optic properties of BiB3O6 show pronounced anisotropy that reflects to a large extend the unusual strong anisotropy of the elastic properties of this borates. Application of mechanical stress along [010] or of shear stress perpendicular to the 2-fold axis results in remarkable piezo-optic effects. The piezo-optic coeffcients of BiB3O6 vary from 16.4(5)E-12 m^2/N (q1122) to -14(12)E-12 m^2/N (q1131). Bismuth triborate belongs to a group of crystals with very large pijkl coefficients. The marked anisotropy of the elasto-optical properties can be correlated with structural features. Particularly, extreme values of the longitudinal effect p'1111 coincide with the principal bonding directions of the borate groups.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Schmid-Rausch, Katjaschmidrausch@gmail.com
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-24909
    Subjects: Earth sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    piezooptisch , BiB3O6 , Borat , Eigenschaften , elektrooptischGerman
    piezo-optic , borate , polar , electro-optical , BiB3O6English
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Kristallographie
    Language: German
    Date: 2008
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 23 June 2008
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 31 Oct 2008 08:51:58
    Referee
    NameAcademic Title
    Bohatý, LadislavProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2490

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