В эксперименте танталат лития был выбран потому, что в нем в отличие от ниобата лития существуют кристаллографических ориентациями с нулевым температурным коэффициентом изменения скорости распространения упругих волн. В исследованном LiTaO3 естественное вращение плоскости поляризации отсутствует, поэтому наведенную эллиптическую поляризацию можно наблюдать в чистом виде.

В эксперименте образец монокристалла LiTaO3 0,8x1,2x1,6 см вырезался по осям Х,Y, Z с погрешностью 2' по оси Z и 20' по осям X,Y. Поперечная упругая волна в образце LiTaO3 возбуждалась внешним пьезоэлектрическим преобразователем чистых поперечных упругих волн – срезом Y+163( ниобата лития LiNbO3 в виде цилиндра с длиной 12 мм и диаметром 5 мм. При помещении торца преобразователя LiNbO3 в полость коаксиального четвертьволнового СВЧ резонатора в преобразователе возбуждались чистые поперечные упругие волны частотой 580 МГц в виде импульсов с длительностью 1 мкс с частотой следования 1 кГц.

В работе измерялась интенсивность излучения He—Nе - лазера, дифрагированного на упругих импульсах в LiTaO3, в зависимости от величины и полярности напряжения, приложенного к металлизированным плоскостям ZХ образца LiTaO3. Электронная схема выделения и накопления видеоимпульсов, поступающих с ФЭУ-79, позволяла определять изменения интенсивности дифракционных импульсов с погрешностью не хуже 1 %.

Интенсивность рассеянного на звуковой волне света в режиме Брэгга при использованной в эксперименте геометрии взаимодействия света, звука и электрического поля в кристалле LiTaO3 (рис. 6а) пропорциональна

--где p44 - фотоупругая постоянная, ( - угол индуцированного полем поворота плоскости поляризации, отсчитываемый от положения плоскости при (0 (влево ‘’+,’’ вправо ‘’-‘’ ), ( - константа вращения плоскости поляризации входящей волны, составляющей угол (0 с перпендикуляром к плоскости дифракции. Свет падал на кристалл у входа звукового импульса.

В работе измерялась интенсивность света I1, рассеянного на вошедшем в кристалл импульсе упругой волны, и на первом отраженном импульсе I2, прошедшем расстояние L=2l, как функция напряженности поля E = u/d, где u – напряжение на кристалле, d – размер кристалла по полю, l – длина кристалла.

В эксперименте изменение напряжённости электрического поля по величине и знаку в диапазоне от 0 до (7,5 кВ/см не влияло на интенсивность света, дифрагировавшего на вошедшем в кристалл импульсе упругой волны. Изменение поля в указанном диапазоне влияло только на интенсивность света, дифрагировавшего света и приводило к осцилляциям амплитуды второго импульса. Амплитуда импульса изменялась от нулевого значения при Е = +6 кВ/см до максимального при Е = -3 кВ/см. (рис. 6б).

Рис. 6. Геометрия взаимодействия света, звука и поля в LiTaO3 (а) и зависимость относительного изменения интенсивности света I2, дифрагировавшего на отраженном упругом импульсе, от напряженности приложенного поля в LiTaO3 (б).

Наблюдаемое изменение амплитуды импульса I2 при постоянной амплитуде импульса I1 можно объяснить зависимостью эффективной фотоупругой постоянной

от напряжённости и знака поля E. Действительно, амплитуда импульса I2 должна зависеть от поля, если наблюдаемый эффект является аксиальным в том смысле, что при отражении упругой волны разность хода поляризованных волн продолжает увеличиваться, как в акустическом эффекте Фарадея. Должны наблюдаться такие два значения поля Е, при которых амплитуда импульса I2 будет или максимальной, когда поле повернёт плоскость поляризации упругой волны на угол (m такой, что (m = - (0, или нулевой, когда поле повернёт плоскость поляризации на угол (0 такой, что (0 = (0.

По кривой зависимости I2/I2max от E, где I2 - амплитуды импульса при

Е=0 ( (7,5 кВ/см, I2max – максимальная амплитуда импульса, рассчитана зависимость угла ( от напряженности поля E, откуда константа вращения плоскости поляризации поперечной упругой волны на частоте 580 МГц (=2,5(/кВ. В соответствии с (2) ( для случая «звук - по Z, поле - по Y» ( = 4,3((10-11м/В, что по порядку совпадает с значением ( для LiTaO3 и LiNbO3 , полученным методом эхо-импульса. Влияние электрического поля на фотоупругость танталата лития через пьезоэлектрический и электрооптический эффекты должно было сказаться на амплитуде первого импульса, что при данной геометрии взаимодействия звука, света и поля не наблюдалось. Наблюдаемое различие влияния внешнего электрического поля на интенсивность света, дифрагировавшего на звуковом импульсе, от расстояния, которое проходит импульс в объеме кристалла, находится в хорошем согласии с эффектом влияния электрического поля на пространственное положение плоскости поляризации поперечной акустической волны, т.е. с эффектом наведенной эллиптической поляризации. Электрическое поле в 1 кВ/см вызывает структурную деформацию, приводящую к изменению пространственного положения плоскости поляризации упругой волны частотой 580 МГц, прошедшей 1 см в кристалле LiTaO3, на 2,5 градуса.

Вторым эффектом является обнаруженное сильное изменение частоты резонанса пьезоэлектрических резонаторов, вызванное приложенным постоянным электрическим полем, изученное на продольных колебаниях стержней кристалла лангасита La3Ga5SiO14 в интервале температур от - 60 до +80 (С.

При приложении постоянного (поляризующего) поля Е3 к возбуждающим электродам сдвиг резонансной частоты механических продольных колебаний пьезоэлектрического резонатора в виде бруска обусловлен изменением размеров образца за счет обратного пьезоэффекта и изменением эффективной упругой податливости за счет нелинейного пьезоэффекта. В системе координат, связанной с ребрами бруска относительное изменение резонансной частоты (f/f имеет вид

где d'ijk – пьезомодули, s'1111 – упругая податливость в направлении длины кристалла, g'11113 – коэффициент поляризационной поправки, компонента тензора пятого ранга, симметричного по двум парам индексов и по перестановке пар.

При термодинамическом рассмотрении поперечного поляризационного эффекта уравнение состояния пьезоэлектрического резонатора в слабом возбуждающем переменном поле как механической системы имеет вид

(10)

†††††††††††††††††††??

– эффективные упругая податливость, пьезомодуль и диэлектрическая проницаемость кристалла, d'311, ?'333 и Q`31– нелинейные пьезоэлектрические, диэлектрические и электрострикционные коэффициенты; ?, D и ? – деформация, индукция и механическое напряжение.

Фазовая скорость v продольных волн вдоль длины элемента пьезорезонатора может быть записана в виде

, (13)

а (о – плотность кристалла при Е=0.

Тогда уравнение движения стержня может быть записано в виде

– гармоническая составляющая механического смещения, а

– коэффициент электростатического управления частотой резонатора.

, достаточно мала и в зависимости от угла ( принимает значения от -2 до -5(10-5 (рис. 7 б).

Рис.7. Зависимость частоты продольной моды от поля Е (а) и температурная зависимость коэффициента управляемости ? (б) для пластин среза xys/( лангасита.

наблюдалось ранее для продольной моды в кристаллах КDР и NaNH4SeO4(2H2O, но температурная зависимость поляризационного эффекта в исследованных кристаллах выражена на порядки сильнее, чем в кристаллах LGS. Обнаруженная сильная зависимость упругих свойств LGS от поля вместе с малым внутренним трением и наличием кристаллографических ориентаций LGS с нулевым ТКЧ для продольных и сдвиговых мод делает кристаллы LGS наиболее перспективными средами для управляемых и нелинейных устройств акустоэлектроники. Позже зависимость упругих свойств LGS от поля исследовалась К.С. Александровым с соавторами [12]. Было обнаружено, что скорость сдвиговой моды вдоль направления [100] в LGS зависит от поля в большей степени, чем скорости продольных мод, а полученное значение ?=(V/V(E=108( 10-12m/V является рекордным для кристаллов с малым затуханием звука. Наблюдаемую сильную зависимость упругих свойств лангасита от электрического поля можно объяснить эффектом деформации решётки кристалла со слоистой и рыхлой структурой. Лангасит, кристалл со сложным каркасом, относится к наиболее рыхлым оксидам с удельным объёмом 20 А3, приходящимся на один атом кислорода.

В акустоэлектронике зависимость упругих свойств от напряженности электрического поля используется при создании резонаторов, фильтров и линий задержки на объемах упругих волнах (ОАВ) и на поверхностных упругих волнах (ПАВ). Изменение времени задержки управляемой полем линии задержки или изменение фазы фазовращателя на ОАВ или ПАВ определяется соотношением

(18)

2х температурных коэффициентов первого порядка упругих модулей, поэтому у Bi12SiO20 отсутствуют сечения с нулевыми температурными коэффициентами скорости распространения и времени задержки ОАВ и ПАВ (ТКС=-1,5(10-4/Со). Кристаллы LGS, имея коэффициент управления ( значительно больший, чем у LiNbO3 и сравнимый с ( Bi12SiO20, в силу малого акустического затухания и наличия ориентации с нулевым ТКС являются более предпочтительными для создания управляемых пьезоэлектронных устройств (табл. 2).

Таблица 2. Кристаллы для управляемой и нелинейной акустоэлектроники.

Показатель LiNbO3, Bi12SiO20 La3Ga5SiO14

Тип волны L L S L S

Направление распространения ОАВ [001] [110] [210] [010] [100]

Направление поляризации ОАВ [001] [110] [120] [010]

Направление поля Е [100] [100] [001] [100] [100]

(, 1011V/m 5 15 14 8 10[17]

g, С/m2 4 16

7 5[17]