Elektrooptische, piezoelektrische und dielektrische Eigenschaften optisch aktiver kubischer und optisch einachsiger Kristalle

Stade, Jonas (2003). Elektrooptische, piezoelektrische und dielektrische Eigenschaften optisch aktiver kubischer und optisch einachsiger Kristalle. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Raumtemperaturwerte der elektrooptischen Konstanten von Langasit La3Ga5SiO14 (LGS), sowie Langanit La3Ga5.5Nb0.5O14 (LGN) und Langatait La3Ga5.5Ta0.5O14 (LGT) erstmalig bestimmt. Die entsprechenden Experimente gestatteten eine zusätzliche Quantifizierung des piezoelektrischen Effekts. Im Falle des LGS wurde die Temperaturabhängigkeit dieser Größen in einem Intervall von etwa -200 °C bis +200 °C betrachtet. Hierbei zeichnete sich ab, dass der piezoelektrische Effekt in seinem Betrag zu höheren Temperaturen hin abnimmt, während sich der elektrooptische Effekt als weitestgehend temperaturunabhängig darstellte. Desweiteren wurden die Brechwerte und deren Dispersion aller drei Substanzen bestimmt. Die Auswertung der Daten liess für LGN und LGT die Möglichkeit einer Phasenanpassung zur Erzeugung der Zweiten Harmonischen (SHG) in einem Wellenlängenbereich von etwa (1.3-1.8) Mikrometer erkennen. Die dielektrischen Konstanten von LGS und LGT wurden in einem Temperatur-intervall von -80 °C bis +120 °C bestimmt. Eine Hochtemperaturmessung bis 600 °C von LGS zeigte ein anomales dielektrisches Verhalten ab etwa 350 °C. Zur experimentellen Bestimmung der elektrooptischen Konstanten optisch aktiver Kristalle, wurde ein Weg aufgewiesen, welcher diese Bestimmung speziell mit einem Michelson-Interferometer gestattet. Die Drehung der Polarisationsebene des einfallenden, linear polarisierten Lichts in optisch aktiven Kristallen konnte mit Hilfe einer mathematischen Methode berücksichtigt werden. Somit konnten die bis dato unbekannten elektrooptischen (und piezoelektrischen) Konstanten zweier in PSG 23 kristallisierenden Vertreter der Verbindungen des Tris(2-aminoethyl)amins (tren), tren_3HCl und tren_3HBr, bestimmt werden. Aufgrund der theoretischen Bedeutung einer alternativen Beschreibung elektrooptischer Effekte mit Hilfe der polarisationsoptischen Konstanten, wurden diese (auf der Basis in der Literatur vorliegender elektrooptischer Koeffizienten) durch eine experimentelle Bestimmung der jeweiligen dielektrischen Konstanten für einige ausgewählte Kristalle berechnet. Für die untersuchten nicht-ferroelektrischen Kristalle zeigte sich, dass die Wertebereiche der elektrooptischen und der polarisationsoptischen Konstanten etwa den gleichen Umfang besitzen. Dieses Bild konnte durch ein Studium des Temperaturverhaltens der polarisationsoptischen Konstanten von drei Substanzen mit unterschiedlich gearteten Phasenübergängen bestätigt werden. Während die Temperaturverläufe der elektrooptischen und der polarisationsoptischen Konstanten im Falle nicht-ferroelektrischer Phasenübergänge nahezu identisch erscheinen, folgt die polarisationsoptische Konstante m_123 des ferroelektrischen KDP, im Gegensatz zum elektrooptischen Koeffizienten r_123, der dielektrischen Anomalie in der Nähe des Phasenübergangs nur in sehr abgeschwächtem Maße.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

Within the scope of this work the values of the electro-optic constants at room temperature of langasite La3Ga5SiO14 (LGS), langanite La3Ga5.5Nb0.5O14 (LGN) as well as langataite La3Ga5.5Ta0.5O14 (LGT) were determined for the first time. The performed experiments allowed an additional quantification of the piezoelectric effect. For LGS, the temperature-dependence of these quantities was studied from about -200 °C to +200 °C. It turned out that the absolute value of the piezolectric effect decreases with rising temperature, while the electro-optic effect remains rather constant. Furthermore the refractive indices and their dispersion of all three substances were measured. The obtained data showed the possibility of a phase-matched second harmonic generation (SHG) for LGN and LGT in the wavelength region of (1.3-1.8) micrometer. The dielectric constants of LGN and LGT were determined in the temperature interval from -80 °C to +120 °C. A high-temperature investigation of LGS up to 600 °C showed an anomalous dielectric behaviour, starting at about 350 °C. Concerning the investigation of electro-optic constants of optically active crystals, a way allowing their determination by using a Michelson interferometer was shown. The rotation of the plane of polarization of incident, linear polarized light in optically active crystals was taken into account, using a mathematical method. Consequently, the so far unknown electro-optic (and piezoelectric) constants of two compounds of the tris(2-aminoethyl)amine (tren), tren_3HCl and tren_3HBr, crystallizing in PG 23, could be determined. Due to the theoretical importance of an alternative description of electrooptic effects via the polarisation-optic constants, these were calculated (on the basis of electro-optic data from literature) by means of a determination of the respective dielectric constants for a few selected crystals. For the investigated non-ferroelectric crystals it was found, that the range of the polarisation-optic constants is of the same extent than that of the electro-optic constants. This result could be confirmed by studying the temperature behaviour of the polarisation-optic constants of three substances, which undergo differently natured phase transitions. While the temperature course of the electro-optic and polarisation-optic constants in the case of non-ferroelectric phase transitions seems to be nearly identical, the polarisation-optic constant m_123 of ferroelectric KDP follows the dielectric anomaly near the phase transition only to a very small extent, in contrast to the electro-optic constant r_123.

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