DE1916025B2

DE1916025B2 - Lichtmodulator mit einer ferroelektrischen kristallplatte

Info

Publication number: DE1916025B2
Application number: DE19691916025
Authority: DE
Inventors: Akio Kodaira; Aizu Keiichiro Tokio; Furuhata Yoshio Kodaira; Kumada (Japan)
Priority date: 1968-03-30
Filing date: 1969-03-28
Publication date: 1977-04-21
Also published as: DE1916025A1; NL149607B; NL6904864A; US3586415A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Lichtmodulator mit er zwischen einem Polarisator und einem Analy- or mit gegeneinander verdrehten Polarisations- :nen in den Strahlengang des zu modulierenden ;hts eingefügten und an ihren beiden senkrecht zur stallographischen c-Achse verlaufenden Hauptchen mit Elektroden versehenen, ferrcelektrischen istallplatte, an die über die Elektroden ein elekiches Feld mit zur Umkehrung der Polarität ihrer sntanen dielektrischen Polarisation ausreichender Idstärke anlegbar ist.

In der US-PS 29 28075 ist ein auf ierroelektrischer Basis aufgebauter Datenspeicher beschrieben, dessen einzelne Speicherelemente in der oben beschriebenen Weise ausgebildet und angeordnet sind. Als Ferroelektrikum für den Aufbau dieser Speicherelemente dient dabei Bariumtitanat, das der unten noch näher zu definierenden Gruppe der regelmäßigen Ferroelektrika zuzurechnen ist.

Mit dem oben verwendeten Begriff Ferroelektnka bezeichnet man ganz allgemein Verbindungen, deren Kristalle auch ohne die Einwirkung einer äußeren mechanischen Spannung und eines äußeren elektrischen Feldes eine spontane dielektrische Polarisation zeigen Diese Ferroelektrika lassen sich nun in zwei Gruppen unterteilen, die sich in ihren elektrischen, elastischen und optischen Verhalten voneinander unterscheiden. Bei der ersten Gruppe, den regelmäßigen Ferroelektrika, der auch das bei den Speicherelementen nach der US-PS 29 28 075 verwendete Bariumtitanat zuzurechnen ist, ist die innere Gitterspannung im Kristal von der Richtung der spontanen dielektrischen Polarisation unabhängig. Bei der zweiten Gruppe, den unregelmäßigen Ferroelektrika, dagegen hängt die innere Gitterspannung im Kristall von der Richtung der spontanen dielektrischen Polarisation ab Die unregelmäßigen Ferroelektnka sind solche Ferroelektrika, bei denen eine Umkehr der Richtung der spontanen dielektrischen Polarisation zu einer Verformung der entsprechenden Kristalle führt die einer Verdrehung der Kristalle um 90 um ihre c-Achse entspricht. Unregelmäßige Ferroelektrika zeichnen sich dadurch aus, daß sie gleichzeitig Ferroelektrika und Ferroelastika sind. Dabei ist weiter anzumerken, daß bei Ferroelektrika ganz allgemein der Zusammenhang zwischen der resultierenden dielektrischen Polarisation einerseits und einem von außen angelegten elektrischen Feld andererseits durch eine Hysteresisschleife gegeben ist; für die unregelmäßigen Ferroelektrika mit ihren ferroelastischen Verhalten besteht ein entsprechender Zusammenhang auch zwischen der resultierenden inneren Gitterspannung im Kristall einerseits und der von außen angelegten mechanischen Spannung andererseits.

Bei einem regelmäßigen Ferroelektrikum wie dem in den Speicherelementen gemäß der US-PS 29 28 075 verwendeten Bariumtitanat zeigt sich nun bei näherer Betrachtung, daß zwar auch für den Fall langsamer Feldänderungen eine rechteckige Hysteresisschleife mit einem Koerzitivfeld zu beobachten ist, daß aber dieses Koerzitivfeld mit Verringerung der Frequenz für die Feldänderung rasch abnimmt. Darüber hinaus gibt es bei diesen regelmäßigen Ferroelektrika noch einen Zusammenhang zwichen der von außen anliegenden elektrischen Spannung einerseits und der Umschaltzeit der entsprechenden Speicherelemente andererseits, der dazu führt, daß bei Anlage über eine extrem lange Zeitdauer auch sehr kleine Spannungen zur Polarisationsumkehr und damit zum Umschalten der entsprechenden Speicherelemente ausreichen. Diese regelmäßigen Ferroelektrika zeigen somit letztlich insoweit kein absolut bistabiles Verhalten.

Weiterhin sind bei den regelmäßigen Ferroelektrika die optischen Eigenschaften unabhängig von der Polarität der dielektrischen Polarisation. Die optische Arbeitsweise der in der US-PS 29 28075 beschriebenen Speicherelemente auf Bariumtitanatbasis beruht daher auch allein darauf, daß es in einem Zwischenzustand im Verlaufe einer Umkehrung der

dielektrischen Polarisation der BariumUtanatkristalle zur Ausbildung von inneren mechanischen Spannungen und damit zum Auftreten einer spannungsinduderten Doppelbrechung in diesen Kristallen kommt. Allein diese Erscheinung ermöglicht dann eine Auslesung der ferroelektrischen Speicher nach der US-PS 29 28 075, bei deren Speicherelementen es sich also nicht um optische Schaltelemente mit bistabilem Verhalten handelt.

Da es notwendig ist, einen Gegenspannungsimpuls an ein Speicherelement anzulegen, um die darin gespeicherte Information abzulesen, wird die gespeicherte Information aufgrund der Polarisationsumkehr zerstört. Dementsprechend kann eine gespeicherte Information nicht wiederholt abgelesen werden.

Bei einer solchen Auslesemethode werden außerdem alle Elemente der i-ten Reihe und der ./-ten Spalte einer matrixartigen Elektrodenanordnung mit der Hälfte der zur Auslesung eines Elements erforderlichen negativen Spannung beaufschlagt (Schwellenspannung), um z. B. das Element bei (i, j) auszulesen. Obwohl diese Spannung kleiner als der zur Polarisationsumkehr erforderliche Schwellenwert, d. h. das Koerzitivfeld, ist, tritt Polarisationsumkehr schrittweise unter Verursachung eines Rauschstromes auf. da das Koerzitivfeld dieser Ferroelektrika keinen definierten Schwellenwert hat.

In der DT-PS 11 91 043 und der US-PS 32 39 671 sind weiter Lichtmodulatoren beschrieben, die auf der Ausnutzung elektrooptischer Effekte an Kalium- und Ammoniumdihydrogenphosphat-Kristallen beruhen. Sowohl Kalium- als auch Ammoniumdihydrogenphosphat lassen sich grundsätzlich den oben definierten Ferroelektrika zurechnen, sie zeigen die für diese Verbindungen charakteristische spontane dielektrische Polarisation ihrer Kristalle nur in ihrer sogenannten fei ι ^elektrischen Phase, die an eine Umgebungstemperatur unterhalb des Curie-Punktes gebunden ist. Bei Temperaturen oberhalb des Curie-Punktes liegen Kalium- und Ammoniumdihydrogenphosphat im paraelektrischen Zustand vor, und sie zeigen dann keinerlei Hysteresisschleife für den Zusammenhang zwischen dem von außen anliegenden elektrischen Feld einerseits und den im Kristallinneren wirksamen elektrischen und mechanischen Größen andererseits. In diesem paraelektrischen Zustand, in dem auch die elektrooptischen Licinmodulatoren nach der DT-PS 1191043 bzw. nach der US-PS 32 39 671 betrieben werden, sind für die Beeinflussung der Kristalle durch äußere elektrische Felder sehr große Steuerspannungen in der Grüßenordnung von mehreren kV erforderlich. In ihrer ferroelektrischen Phase dagegen, in der diese Verbindungen den unregelmäßigen Ferroelektrika im Sinne der oben gegebenen Difinition zuzurechnen sind, genügen zur Umkehr der Polarität der spontanen dielektrischen Polarisation äußere elektrische Felder mit der Koerzitivfcldstärke der betreffenden Kristalle entsprechender Feldstärke, zu deren Erzeugung bei den üblichen Kristalldicken Steuerspannungen in der Größenordnung von nur 100 V ausreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtmodulator der eingangs erwähnten Art in der Weise auszubilden, daß er den Aufbau von elektrooptischen Schaltzeitsteuerungen und Speicherschaltungen ermöglicht, die sich spannungs-, frequenz- um! zeitunabhängig betreiben lassen, deren etwaiger Speicherinhalt zerstörungsfrei ausgelesen werden kann und die sich durch eine große Speicherkapazität und ein hohes Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis bei der Informationsauslesung auszeichnen.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kristallplatte aus einem unregelmäßigen Ferroelektrikum mit einer Verdrehung um 90° um die c-Achse entsprechender Verformung bei Umkehr der Richtung ihrer spontanen dielektrischen

ίο Polarisation besteht.

Grundlage der vorliegenden Erfindung ist daher die Möglichkeit zur Schaffung von bistabilen und reversiblen optischen Schaltelementen aus optischen Kristallplatten, die sich durch das besondere Verhalten von Kristallplatten aus unregelmäßigen Ferroelektrika ergibt. Diese Möglichkeit ist nun aber eine zwangsläufige Folge der allen unregelmäßigen Ferroelektrika gemeinsamen Eigenschaft, daß deren Kristalle bei Umkehr der Richtung der spontanen dielektrischen Polarisation eine Verformung erfahren, die einer Verdrehung der Kristalle um 90 um ihre c-Achst entspricht. Aufgrund dieser allen unregelmäßigen Ferroelektrika gemeinsamen Eigenschaft kommt es nämlich bei Anlage eines die Koerzitivfeldstärke überschreitenden elektrischen Feldes an eine Z-Platte aus einem solchen Kristall zu einer Umkehrung der spontanen Polarisation und gleichzeitig zu einer Vertauschung der a- und b-Achsen dieser Kristallplatte, die wiederum von einer entsprechenden Änderung im Brechungsindex begleitet ist, so daß sich für zwei Lichtkomponenten mit zueinander senkrechter Polarisationsrichtung beim Durchgang durch diese Z-Platte eine gegenseitige Verzögerung erzielen läßt. Diese Funktionsweise läuft reversibel in Entsprechung zur positiven oder negativen Richtung der dielektrischen Polarisation in der Kristallplatte ab, und außerdem ist ein bistabiler Betrieb möglich.

Im Gesamtergebnis führt somit die Verwendung von Kristallplatten aus unregelmäßig ferroelektrischen Kristallen im Sinne der Erfindung zu einem bistabilen und reversiblen optischen Schaltelement, dessen Arbeitsweise durch die obenerwähnte, allen unregelmäßigen Ferroelektrika gemeinsame Eigenschaft bestimmt wird, daß eine Umkehr der Richtung der spontanen dielektrischen Polarisation zu einer mechanischen Verformung der entsprechenden Kristalle führt.

Die im Sinne der Erfindung eingesetzten unregelmäßigen Ferroelektrika zeigen eine Hysteresisschleife sowohl hinsichtlich des Zusammenhangs zwischen dem anliegenden elektrischen Feld einerseits und der spontanen dielektrischen Polarisation andererseits sowie auch Tür den Zusammenhang zwischen einer anliegenden mechanischen Spannung einerseits und der spontanen dielektrischen Polarisation andererseits sowie für den Zusammenhang zwischen dem anliegen den Feld und der spontanen mechanischen Spannung Außerdem lassen sich solche Ferroelektrika durch au ßere elektrische Felder, deren Feldstärke unterhalt der Koerzitivfeldstärke des betreffenden Ferroelek trikums liegt, auch bei beliebig langer Anlage diese Felder nicht beeinflussen, da eine Umkehr des jeweil vorhandenen Polarisationszustandes für die Kristall· eines solchen unregelmäßigen Ferroelektrikums an di Anlage eines äußeren elektrischen Feldes von ent gegengesetztem Vorzeichen und mindestens die Koei zitivfeldstärke erreichender Feldstärke gebunden is Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildunge

der Erfindung sind in Unteransprüchen im einzelnen gekennzeichnet.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen. Im einzelnen zeigt in der Zeichnung

Fig. la eine Hysteresisschleife für den Zusammenhang zwischen einem äußeren elektrischen Feld und der dielektrischen Polarisation bei einem Ferroelektrikum,

Fig. Ib eine Hysteresisschleife für den Zusammenhang zwischen einer von außen einwirkenden mechanischen Spannung und der im Kristallinneren erzeugten elektrischen Ladung bei einem unregelmäßigen Ferroelektrikum,

Fig. Ic eine Hysteresisschleife für den Zusammenhang zwischen einem äußeren elektrischen Feld und der im Kristallinneren auftretenden mechanischen Gitterspannung bei einem unregelmäßigen Ferroelektrikum,

Fig. Id den Zusammenhang zwischen der Lichtdurchlässigkeit und der von außen angelegten elektrischen Spannung bei einem unregelmäßigen Ferroelektrikum,

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Abmessungsänderungen für ein unregelmäßiges Ferroelektrikum bei dessen übergang von einem Zustand (a) ohne von außen darauf ausgeübte mechanische Spannung und ohne äußeres elektrisches Feld in einen Zustand (b) mit Anlage eines äußeren elektrischen Feldes von die Koerzitivfeldstärke des Ferroelektrikums übersteigender Feldstärke,

F i g. 3 einen Ausschnitt aus dem Indikatrix-EIlipsoid für einen biaxial doppelbrechenden Kristall. F i g. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Polarisation bei weißem Licht,

F i g. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Interferenzverhällnisse bei durch die Vorrichtung von F i g. 4 hindurchgegangenem Licht,

F i g.e einen schematisch gehaltenen Schnitt durch die Kristallplatte eines als optischer Verschluß verwendbaren Lichtmodulators,

F i g. 7 eine schematische Darstellung eines gesamten Lichtmodulators mit einer solchen Kristallplatte.

F i g. 8 ein zweites Ausführungsbeispiel für die Kristallplatte eines Lichtmodulators,

Fig. 9 die Anordnung der Elektroden an der Kristallplatte Tür einen als Speicherelement verwendbaren Lichtmodulator,

Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen solchen Lichtmodulator.

Ferroelektrika zeigen allgemein ein Hysterese-Verhalten für den Zusammenhang zwichen einem von außen angelegten elektrischen Feld E und der inneren dielektrischen Polarisation P, wie es in F i g. 1 veranschaulicht ist. Mit anderen Worten erreicht, wenn das angelegte elektrische Feld groß wird, die Polarisation den durch CA in F i g. 1 a angedeuteten Zustand. Wenn dann das angelegte Feld schrittweise verringert wird, geht auch die Polarisation zurück, und wenn das angelegte Feld nach dem Nulldurchgang die negative Koerzitivfeldstärke - E_r überschreitet, wird die Polarisation umgekehrt. Wenn die Stärke des angelegten Feldes weiter in negativer Richtung gesteigert wird, erreicht die Polarisation den durch DB in Fig. la angedeuteten Zustand.

Bei Untersuchungen der Anmelderin wude überdies gefunden, daß einige Ferroelektrika, wie z. B. Kaüumdihydrogenphosphat (im folgenden mit KDP bezeich net) und Gadoliniummolybdatoxyd (im folgenden mi GMO bezeichnet), die Eigenschaft besitzen, daß die Anlage einer mechanischen Spannung von mehr al; einem bestimmten Wert (im folgenden als Kocrzitivspannung bezeichnet) ebenso wie die Anlage eine; elektrischen Feldes von mehr als einem bestimmter Wert (im folgenden als Koerzitivfeld bezeichnet die Richtung ihrer spontanen Polarisation S umkehrt

ίο wie dies in Fig. 2a und 2b gezeigt ist, was irr Gegensatz zu anderen Ferroelektrika wie z. B. Tri glycinsulfat, Bleizirkontitanat und Bariumtitanat steht deren spontane Polarisation durch Anlegen des Koerzitivfeldes in ihrer Richtung umgekehrt werden.

Allgemein nennt man einen Kristall mit einer spontanen dielektrischen Polarisation ohne äußert mechanische Spannung und ohne äußeres elektrisches Feld sowie der Eignung zur Umkehrung seiner spontanen Polarisation in Abhängigkeit von einem angelegten elektrischen Feld, wie in Fig. la gezeigt ist. einen ferroelektrischen Kristall. Bei einigen der ferroelektrischen Kristalle sind die Abmessungen im Kristallgitter in Abhängigkeit von der Richtung der spontanen Polarisation verschieden, wie Fi g. 2 zeigt

Ein solcher ferroelektrischer Kristall wird im folgenden als unregelmäßig ferroelektrischer Kristall bezeichnet Unregelmäßige Ferroelektrika gehören zu den Ferroelastoelektrika. Im Gegensatz dazu nennt man einen ferroelektrischen Kristall, dessen Abmessungen im Gitter von der Richtung der spontanen Polarisation unabhängig ist. einen regelmäßig ferroelektrischen Kristall.

In Fig. 2 bezeichnen h, ic und / die Länge der Kanten des Kristalls längs der kristallographischen

•,₅ Achsen α, b und c. und der Kristall im Zustand (a) wird in einer Richtung senkrecht zur Zeichnungsebene gedehnt, während er im Zustand (b) in horizontaler Richtung gelängt wird. Das heißt, daß der Kristall im Zustand (a) dem im Zustand (b) nach Rotation von 90 um die Achse c entspricht. Mit dieser Deformation ändern sich die tensoriellen Eigenschaften des Kristalls entsprechend.

Es gibt grundsätzlich zwei Verfahren zum überführen eines unregelmäßig ferroelektrischen Kristalls aus dem einen Zustand in den anderen. Nach dem einen Verfahren unterwirft man einen Kristall, der sich im Zustand (a) von Fi g. 2 befindet, einer Druckkraft in der Richtung von k. Wenn diese Druckkraft einen bestimmten Wert überschreitet, wird der Kristall in den Zustand (b) von Fig. 2 übergeführt, und die Polarität der elektrischen Ladung auf den beiden senkrecht zur Richtung der spontanen Polarisation stehender. Endflächen wird umgekehrt. Diese Erscheinung entspricht der Erzeugung einer elektri-

sehen Ladung oder elektromotorischen Kraft aufgrund einer mechanischen Spannung. Dabei wird die Beziehung zwischen der Spannung X und der Ladungsdichte Q durch eine Hysteresisschleife ausgedrückt, wie sie in F i g. Ib gezeigt ist, und beide polarisierten,

einander entgegengesetzten Zustände sind ohne äußeres elektrisches Feld und ohne äußere mechanische Spannung stabil. Das andere Verfahren zur Umwandlung des Kristallzustandes besteht in der Anlage eines äußeren elektrischen Feldes an den Kristall in der der spontanen Polarisation entgegengesetzten Richtung. Gleichzeitig mit der Umkehr der Polarisation tritt eine Änderung in der inneren Gitterspannung auf, wie F i g. 2 zeigt. Dabei ist der Zusammenhaniz zwischen

dem elektrischen 1 eld und der mechanischen Spannung so. wie es F ig. Ic zeigt.

Natürlich ergibt bei einem unregelmäßig fcrroelektrischen Krislall die Beziehung zwischen der mechanischen Spannung und der Gitterabmessung > ebenfalls eine Hysteresisschleife ähnlich denen nach F i g. 1 b und 1 c. Ein solches mechanisches Verhallen ist gänzlich verschieden von der Elastizität oder Plastizität gewöhnlicher Stoffe, und es ist eine eher mit der Ferroelektrizität oder dem Ferromagnetismus ι ο vergleichbare Eigenschaft. Daher kann man sie»Ferroelastizitäl« nennen, und von einem unregelmäßig ferroelektrischen Kristall kann man sagen, daß er sowohl ferroelektrisch als auch ferroelastisch ist. Nach den durchgeführten Untersuchungen wurde gefunden, daß einige Kristalle unter den zu den Punktgruppen mm 2. 2-1 und 2-11 gehörenden, in die Kategorie der unregelmäßigen Ferroelektrika fallen. Die folgende Tabelle 1 zählt diese Kristalle unter den jeweiligen Gruppenindizes imm2. i2-l und i2-II auf.

Tabelle 1

Punktgruppc

Stoff

KDP, GMO

noch nicht entdeckt

Rochelle-Salz, Cadmiumammoniumsulfat, Dodecylhydrat des Aluminiummethylammoniumsulfate

Nach verschiedenen Untersuchungen wurde festgestellt, daß GMO und seine kristallographischen Isomorphcd. h.(R₁Rj ^_xJ₂O₃ ■ 3 Mo₁ ^,W₁O₃(wobei R und R' wenigstens ein Element der seltenen Eirden, χ eine Zahl von O bis 1 und e eine Zahl von O—0,2 bedeutet) zur Punktgruppe mm2 gehören, eine Curie-Temperatur von angenähert 16O⁰C haben, bei Temperaturen vom Curie-Punkt bis zu sehr niedrigen Temperaturen einschließlich Raumtemperatur unregelmäßige Ferroelektrika, ferner in Wasser unlöslich und sowohl gegenüber Feuchtigkeit als auch gegenüber Austrocknung beständig sind und eine hohe mechanische Festigkeit haben. Außerdem kann ihr Curie-Punkt durch Bildung isomorpher fester Lösungen bis etwa Raumtemperatur gesenkt werden.

Diese Kristalle mit GMO-Kristallstruktur gehören kristallographisch zum orthorhombischen System.

Die Einheitszellenabmessungen für GMO mittels Röntgenbeugung wurden unter Benutzung eines Röntgengoniometers wie folgt bestimmt:

a = 10,38 ± 0.005 Ä b = 10,426 ± 0.005 Ä c = 10.709 ± 0,005 Ä

Was Eu₂(MoOJ₃. Tb(MoOJ₃, Dy₂(MoO₄)., und Sm₂(MoOJ₃ betrifft, die mit GMO isomorph sind, wurde durch Messungen mittels Röntgenbeugung gefunden, daß die Einheitszellenabmessung längs der Achse α von der längs der Achse b in allen diesen Kristallen verschieden ist. wie Tabelle Π zeigt.

Stoff

(i (Λ)

■ΊΑ)

Eu₂(MoOJ₃
Gd₂(MoOu)₃
Dy₂(MoO₄J₃
Sm₂(MoO₄).,

10,377 + 0,005

10.388 ± 0.005

10,331 ± 0,005

10,478 ± 0.005

Jeder Einkristall aus GMO. Sm₂(MoO₄J₃. Eu₂(MoO₄I₃. Tb₂(MoO₄I₃ und Dy₂(MoOj₃ wurde parallel zu den Flächen (100). (010). (001J geschnitten, die auf den Achsen a. b. c senkrecht stehen, und einer Ausrichtung durch Anlage eines elektrischen Feldes oder einer mechanischen Spannung zwecks Umbildung in eine Einbereichsstruktur unterworfen. (Dies wurde durch Beobachtung einer Probe durch ein Polarisationsmikroskop mit in der Richtung der Achse c gerichtetem, plan polarisiertem Licht unter Einsatz gekreuzter Nikols bestätigt.) Die Intensitätsverteilung des von den Oberflächen des Kristalls reflektierten Lichts wurde mit einem Dreiachsen-Röntgengoniometer gemessen. Die Flächen, deren reflektiertes Licht gemessen wurde, waren (400), (600). (800). (1000) sowie auch (003), (004) und (005). Weiter wurden nach der Messung des reflektierten Lichts die Achsen a und b des Kristalls durch Anlegen eines umgekehrten elektrischen Feldes in Richtung der Achse c oder durch Anlegen einer mechanischen Spannung in Richtung der Achse c vertauscht, und der Kristall wurde in den Einbereichszustand gebracht. Dann wurde wiederum die Intensitätsverteilung des von den Flächen (040). (060). (080) und (0100) reflektierten Lichts unter folgenden Meßbedingungen bestimmt. Und zwar wurden Cu-K,-Strahlen von einer mit einer Spannung 10,472
10,426
10,346
10.511

± 0.005

± 0,005

10,655 1 0.005

10,709 1 0,005

10,603 1 0,005

10.856 ± 0,005

von 30 kV und einem Strom von 10 mA angeregten Röntgenstrahlenquelle auf den Kristall durch einen Divergenzschlitz von 10 mm öffnung, einen Streuschlitz von 10 mm öffnung und einen Eingangsschlitz von 0,1 mm öffnung gerichtet. Die Abtastgeschwindigkeit des Goniometers betrug '/*' pro Minute, und der Radius eines Geiger-Zählers, der dabei verwendet wurde, war 185 mm. Wenn dann der Kristall über die Curie-Temperatur erhitzt wurde, urr ihn dadurch aus dem ausgerichteten Zustand zt befreien, und anschließend abgekühlt wurde, nahrr er eine Vielbereichsstruktur an, und der Unterschiec zwischen den Zellenabmessungen a und b wurd« undeutlich.

Einige unregelmäßig ferroelektrischen Kristalle sine Einkristalle und feste Lösungen von chemischer Verbindungen mit GMO-Kristallstruktur. Einige da

ho von wurden in der Tabelle I aufgeführt.

Die Struktur eines solchen Kristalls wird erheblicl durch die Größe von darin enthaltenen positivei Ionen beeinflußt. Wenn die positiven Ionen zu grol oder zu klein sind, ergibt sich eine unterschiedlich

'- Struktur. Die Arrhenius-Ionenradicn von Ionen sei tencr Erden sind folgende: Sm"^Λ: 1.00λ. Eu ^{+ s}: 0.98/ Gd*': 0,97A. Tb: 0,93Λ und Dy: 0.92Λ. Dahc

haben (R_xRj __X)₂O₃ ■ 3 Mo₁^W, O₃-StOfTe mit diesen Ionenradien die gleiche GMO-Kristallstruktur.

Die GMO-Kristallegehören zum orthorhombischen System und zur Punktgruppe mm2, und fur ihre spontane innere Gitterspannung x₅ gilt die Beziehung

a +

10"

Ein Kristall mil einer solchen Einheitsabmessung wird durch die Ausrichtung erheblich beeinflußt. Ein solcher GMO-Kristall hat folgende Eigenschaften:

Farbe: farblos und durchsichtig.

Dichte: 4600 kg/m³.

Punktgruppe: orthorhombisch, mm2. ferroelektrische Phase bei Temperaturen unter dem Curie-Punkt; tetragonal, 42 m, paraelektrische Phase bei Temperaturen oberhalb des Curiepunktes.

Phasenumwandlungstemperatur: 162° ± 3°C.

Schmelzpunkt: 1170⁰C.

Spaltfläche: (110), (001).

Spezifische Dielektrizitätskonstanten in der Rich-

Tabelle III

10 ³ -~i (in Richtiint

Newton

tung der Achsen a, b und c: ι = 10,5, t = b = 9.: (bei 20 C).

Spontane Polarisation: 1.86 10"³ -~

der Achse c).

Spontane innere Gitterspannung: 1,5 ■ 10"·'

Elastische Auslenkung: 25 · K)"'²
Koerzitivfeld: 6- 10⁵(~) .

Koerzitivspannung: 1,4-10

Spezifischer elektrischer Widerstand: höher al Ω · m.

Beständigkeit gegenüber Wasser und Chemikalien: gut.

Auswitterung und Diliqueszenz: keine.

Die folgende Tabelle III zeigt einige der Isomorphe des GMO. Die Reaktionsstoffe und ihre zur Bildung der Kristalle erforderlichen Mengen sind ebenfalls in der Tabelle angegeben.

Chemische Formel des Einkristalls

2 Sm₂(MoO₄)J

3 Eu₂(MoO₄)₃

4 DY₂(MoO₄)₃

5 Tb₂(MoO₄)J

6 (Gd₀₅Sm₀₅)₂(Mo0₄)₃

9 (Gdo._sDy₀.₅)₂(MoO₄)₃

(Gd₀.₉₅Ho₀₀₅)₂(MoO₄)₃

Teile Moljbdat	Teile seltene Erden (Reaktionsmaterial)	(Sm₂O₃) 348,7	(Sm₂O₃ 174.3
431,8		(Eu₂O₃) 352,0	(Eu₂O₃) 176,0
431.8		(DY₂O₃) 373.0	(Tb₂O₃) 187,2
431,8		(Tb₂O₃) 748,8	(Dy₂O₃) 186,5
833,6			(Yb₂O₃) 19,7
431,8	(Cd₂O₃) 180,9		Ho₂O₃) to η
431,8	(Gd₂O₃) 180,9
431,8	(Gd₂O₃) 180,9
431,8	(Gd₂O₃) 180,9
431,8	(Gd₂O₃) 343,7
431,8	(Gd₂O₃) 343.7

Forisci/ung

S₁ ( hcmischc Ιοιηκ-Ι des I-.ink11-.U1

12 (Gd₀.₉₅Lu_(MI5)₂(MoÜ₄l.,

14 (Gd₀₉₅Sc₀₀₅ J₂(MoO₄J₃

15 (Gd_0-95La_0-05J₂(MoO₄J₃

16 (Gd_0-95 Pr₀.₀₅)₂(MoO₄)₃

17 (Gd_0-6 Y₀.4)2(MoO₄)₃

IS (Gd_0-6La₀,₄)₂(MoO₄)₃

19 (Gdo.₆₀Tb₀,₂₀Dy₀.₂₀)₂(Mo0₄)₃

20

21 (Gdo,₆₀Sm_0-20Tb₀.₁₀)₂(Mo0₄)₃

22 (Gd₀₄₇₀Eu₀₇₀Tb_0-1O)₂(MoO₄),

23 (Gd_0-7Y_0-2La_0-1MMoO₄J₃

24 (Gdo.₇Eu_0-20Ho₀.,₀)₂{Mo0₄)₃

25 (Gdo.₇Smo.,Euo,iY_0-1)₂(MoO₄)₃

26 (Gdo.₉₅Ndo.₀₅)2(Mo0₄)₃

27 (Gdo.₆Tb_o.₂Yo., La_0-1MMoO

19 16 025	12	ci\|_L- sol IctK' hrden <caklionsmaleriall	(Lu₂O₃) 19,9	(To₄O₇) 78.8
Teile I Mohhdai H	(Gd₂O₃) 343,7	(Tm₂O₃) 19,3	(Dy₂O₃) 37,3
431.8	(Gd₂O₃) 343,7	(Sc₂O₃) 6,9	(Tb₄O₇) 39,4
431.8	(Gd₂O₃) 343,7	(La₂O₃) 16,3	(Tb₄O₇) 39,4
431.S	(Gd₂O₃) 343,9	(Pr₆O₁₁) 17,0	(Y₂O₃) 45,2
431,8	(Gd₂O₃) 343,9	(Y₂O₃) 90,3
431.8	(Gd₂O₃) 217,0	(La₂O₃) 130,0	(Y₂O₃) 22,6
431,8	(Gd₂O₃) 217	(DY₂O₃) 74,6
431,8	(Gd₂O₃) 217	(Eu₂O₃) 70,4	(La₂O₃ 32.6
431,8	(Gd₂O₃) 253,3	(Sm₂O₃) 69,7
431.8	(Gd₂O₃) 217,0	(Eu₂O₃) 70,4
431.8	(Gd₂O₃) 253.3	(La₂O₃) 32,6
431.8	(Gd₂O₃) 253,3	(Ho₂O₃) 37,8
431,8	(Gd₂O₃) (Eu₂O₃) 253,3 70,4	(Eu₂O₃) 35,2
431,8	(Gd₂O₃) (Sm₂O₃) 253,3 34,9	(Nd₂O₃) 16,8
431,8	(Gd₂O₃) 343,7	(Y₂O₃)
431,8	(Gd₂O₃) (Tb₄O₇) -in η 70 8
431,8

13

Fortretzung

Nr. Chemische Formel des Einkristalls

28 Gd₂(Mo_0-95W₀₄ OJ₃(MoO₄J₃

30 Sm_0-5 Dy_0-5 )₂ (MoOJ₃

31 (Sm_0-5Tb_0-5J₂(MoOJ₃

32 (Sm₀,₉₅Yb_0-05)₂(MoOJ₃

34 (Sm_0-95Lu_0-0S)₂(MoO₄)J

35 (Sm_0-95Tm_0-0S)₂(MoOJ₃

36 (Sm_0-95Sc_0-0S)₂(MoOJ₃

37 (Sm_0-95Y_0-05)₂(MoOJ₃

38 (Sm_0-90Er_0-1 )₂(MoO₄)₃

39 (Sm_0-6Eu_0-3Er_0-1J₂(MoOJ₃

40 (Sm_0-7Tb_0-2Y_0-1 )₂( M 0OJ₃

41 (Sm₀₈Er_0-1Y₀₁I₂(MoO₄).,

42 (Sm₀₈Dy₀ ,Y_n H₅Rr₀₀₅J₂(MoO₄),,

43 (Sm₀₅Tb₀₅J₂(Mc₀₄₀W₀₁),

Teile Molybdat	Teile seltene Hrdcn (Rcaklionsmalerial)	(Sm₂O₃) 174,1	Wo₅ 70,0
431,8		(Sm₂O₃) 174,1	(Eu₂O₃) 176,0
431,8		(Sm₂O₃) 174,1	(Dy₂O₃) 186,5
431,8		(Sm₂O₃) 331,3	(Tb₄O₇) 187,5
431,8		(Sm₂O₃)	(Yb₂O₃) 18,7
431.8		331,3	(Ho₂O₃)
		(Sm₂O₃) 331,3	18,9
431.8		(Sm₂O₃) 331,3	(Lu₂O₃) 19,9
431,8		(Sm₂O₃)	(Tm₂O₃) 19,3
431,8		331,3	(Sc₂O₃)
431 8		(Sm₂O₃)	6,9
"J 1,0		331.3	(Y₂O₃)
431 8		(Sm₂O₃) 313,4	11,3
		(Er₂O₃) 105,4	(Er₂O₃) 19,1
431,8		(Tb₄O₇) 78.8	(Er₂O₃) 19,1
431,8	(Sm₂O₂) 209,4	22,6	(Y₂O₃) 22.6
431,8	(Sm₂O₃) 244.0	(Dy₂O₃) 37.3	(Er₂O₃) 19,1
431.8	(Sm₂O₃) 278,9	(Sm₂O₁) 174.1	(Y₂O₃) (Er₂O., 11.3 9,5
431.8	(Sm₂O,) 278.9		(Tb₄O₇) 187.2
388,6	(Wo_-,) 70.0

•i

6

Fortsetzung

Nr. Chemische Formel des hinkristalls

44 (Dy_0-95 L₀.₀₅)₂(MoO₄)₃

45 (Dy_0-95 Pr₀.₀₅)₂(MoO₄)₃

46 (Dy₀.₉₅Nd_0o5)₂(MoO₄)₃

47 (Dy₀.₈Nd₀.₁₀Ho₀₁₀)₂(Mo0₄)₃

49 (Gd₀,₆Eu₀.₂Sm₀.,Tb₀., Dy_o.,)( MoO₄I₃ 431,8

Teile Molybdal	Teile scllcne Erden iRcaklionsmuteriul)	(La₂O₃) 16,3	(Nd₂O₃) 33,7
431,8	(Dy₂O₃) 369,3	(Pr₀O_n) 17,0	(Tb₄O₇) 102,4
431,8	(Dy₂O₃) 369,3	(Dy₂O₃) 369,3	(Eu₂O₃) 70,4
431,8	(Nd₂O₃) 16,8	(Ho₂O₃) 37,8
431,8	(Dy,O₃) 298,4	(Dy₂O₃) 74.6
431,8	(Eu₂O₃) 211.2	(Sm₂O₃) 34.9
431,8	(Gd₂O₃) 217,0	(Tb₄O₇)
	(Dy₂O₃)	39.4
	37,3

Die in der Tabelle HI aufgeführten unregelmäßig ferroelektrischen Kristalle sind in ihrer ferroelektrischen Phase positiv biaxial und doppelbrechend. F i g. 3 zeigt einen Teil des Indikalrix-Ellipsoids (oder mit anderen Worten Lichtgeschwindigkeits-Ellipsoids) für einen solchen Kristall. In Fig. 3 bezeichnen die Achsen X, Y und Z optoelastische Achsen und /I₃, /ι,, und n_y Brechungsindizes des parallel zu den Achsen X bzw. Y bzw. Z schwingenden Lichts.

In einem GMO-Kristall fallen die optoelastischen Hauptachsen X, Y und Z mit den kristallographischen Achsen α, b und c zusammen. Der Kristall ist bei Temperaturen oberhalb des Curie-Punktes (ange- so nähert 160 C) uniaxial doppelbrechend, und seine Brechungsindizes bezüglich der Natrium-D-Linie, /. = 5893 Ä, sind bei 200⁰C wie folgt:

n_e = 1.848, H₀ = 1,901.

Der Kristall zeigt bei Temperaturen unterhalb des Curie-Punktes unregelmäßig ferroelektrische Eigenschaften und wird biaxial doppelbrechend.

Der optische Achsenwinkel 2\ (das Zweifache des Winkels V in Fig. 3) und die Brechungsindi?es ho M₁. (i(i und n. des Kristalls gegenüber der Natrirm-D-Linie bei Raumtemperatur sind folpiulc

2 V

II;

»1 —Π.,

11,0 .
1.842.
1.843.
1.897.
4· IO

Die optische Axialfläche dieses biaxial positiven Kristalls ist die kristallographische α,-Fläche (100), und diese Fläche dreht sich um 90" um die Achse c, wenn der Kristall umgekehrt polarisiert wird. Dementsprechend erhält man, wie sich aus F i g. 3 ergibt, die Verzögerung R₀ Tür durch den GMO-Kristall in Richtung der Achse α hindurchgehendes Licht durch die Formel

R_a = djn-n„),

worin d_a die Dicke des Kristalls in Richtung der Achse α ist. Wenn eine Polarisationsumkehr in einem solchen Kristall auftritt und die Optoaxialfläche um 90' um die Achse c gedreht wird, wird die Achse a durch die Achse b und die Achse b durch die Achse a ersetzt. Daher ändert sich die vorerwähnte Verzögerung zu folgendem Wert:

R_h = d_hin -n).

(Die Änderung in der Dicke des Kristalls ist auf di< Deformation der Einheitszelle entsprechend der 90 Drehung der Achsen α und h der Zelle zurückzu führen.) Das heißt, sowohl die Dicke als auch dei Brechungsindex des Kristalls ändern sich bei de Polarisationsumkehr, und dementsprechend ander sich auch die Verzögerung fur das durchgehend' Licht.

Die Verzögerung für auf den Kristall unter einer Winkel <~> zur Achse c auffallendes Licht auf eine Strecke ist z.B. d{n,~n'.\. Wenn dann der Krista umgekehrt polarisiert wird, wird die vorerwähnt

'i

Verzögerung zu d (n_:, — n_n), was der Verzögerung des Lichts entspricht, das in der Richtung oc" verläuft, die auf der Ebene ac liegt und den Winkel θ zur Achse c bildet, wie F i g. 3 zeigt, da angenommen werden kann, daß die* optoaxiale Fläche (α-Fläche) des Kristalls 90° um die Achse c gedreht wurde.

Wenn eine Kristallplatte 3 aus einem unregelmäßigen Ferroelektrikum zwischen einen Polarisator 1 und einen Analysator 1 eingefügt wird, die parallel zueinander angeordnet sind, wie dies Fig. 4 zeigt, ι ο und man weißes Licht 4 senkrecht zum Polarisator 1 richtet, wird das weiße Licht 4₀, welches durch den Polarisator 1 linear polarisiert ist, durch die Doppelbrechung in der Kristallplatte 3 in verschiedenem Maße, in Abhängigkeit von der jeweiligen Wellenlänge gebrochen, und es ergibt sich daraus bei einer bestimmten Frequenz zirkulär polarisiertes Licht, bei einer anderen Frequenz linear polarisiertes Licht und bei sonstigen Frequenzen elliptisch polarisiertes Licht. Von dem elliptisch polarisierten Licht geht nur das Licht mit der gleichen Schwingungsebene wie der des Analysators 2 durch den Analysator 2 hindurch und erzeugt eine Interferenzfarbe. Es läßt sich feststellen, daß, wenn der Kristall umgekehrt polarisiert wird, wodurch in beschriebener Weise die Verzögerung geändert wird, die vorerwähnte Interferenzfarbe sich ebenfalls entsprechend der Änderung der Verzögerung ändert.

Wie bereits erwähnt, sind unregelmäßig ferroelektrische Kristalle, wie z. B. GMO, biaxial und positiv doppelbrechend. Wenn dementsprechend monochromatisches paralleles Licht 4 auf eine Anordnung gerichtet wird, in der eine als Z-Platte (senkrecht zur r-Achse geschnittene) Kristallplatte 3, zwischen einem Polarisator 1 und einem Analysator 2 angeordnet ist, deren Polarisationsebenen aufeinander senkrecht stehen, bildet sich ein Interferenzmuster, wie man es in F i g 5 sieht. Das Interferenzmuster nach F i g. 5 bedeutet Orte von Interferenzbiidern, die entstehen, je nachdem, obder Unterschied zwischen den optischen Wegen der gebrochenen Strahlen von den monochromatischen Lichtstrahlen (Wellenlänge A), die durch die Kristallplatte 3 hindurchgegangen sind, eine gerade Zahl mal die halbe Wellenlänge V₂ / oder eine ungerade Zahl mal die halbe Wellenlänge ^ι'₂λ ist. Die Phasendifferenz R zwischen zwei außerordentlichen Strahlen ist

R = i/(n„ - π,,).

worin d die Dicke der Kristallplatte 3 und H₀ sowie n_e Brechungsindizes der außerordentlichen Strahlen sind. Die Abstände zwischen den Interferenzflächen hängen von der Dicke d der Kristallplatte 3 ab, und sie werden enger, wenn die Dicke der Kristallplatte 3 größer wird.

Da der Brechungsindex mit der Wellenlänge variierl, ändert sich die Lage der Interferenzflächen nach I" i g. 5 mit der Wellenlänge.

Wenn die Kristallplatte 3 in F i g. 4 auf ihren beiden Z-Flächen, d. h. c-Flächen mil durchsichtigen Elek- >., Hoden 6 versehen und um die c-Achsc so gedreht wird, daß ihre optische Achse mit der Polarisationsebene des Polarisators übereinstimmt, wird der Schirm dunkel. Man kann in dieser Anordnung eine Blende verwenden, um die Parallelität der Lichtstrahlen und β=, die Variation der Helligkeit zu verbessern.

Wenn die Kristallplatte 3 ausgehend vom dunklen Zustand des Schirms um einen Winkel (-) um die c-Achse gedreht wird, ist die Beziehung zwischen der Menge des durchgelassenen Lichtes I und dem Rotationswinkel Θ gegeben durch

/ = Z₀(I-* cos² 2(9),

worin /₀ die Menge des durchgelassenen Lichts bei θ = .τ/4 ist. So ist Für

θ θ θ
/

.-τ/4,
0,
J₀ (1 +*),

/„,

J₀ (I«)·

Wenn die spontane Polarisation in der Kristallplatte 3 durch Anlegen einer negativen Spannung umgekehrt wird, dreht sich seine optische Achse um 9(F. Die Änderung der Menge des durchgelassenen Lichts ist dann die gleiche wie die, wenn der Kristall um 90 um die c-Achse gedreht wird, und wenn die spontane Gitterspannung vernachlässigt wird, kann die Änderung der Helligkeit des durchgelassenen Lichtes leicht erfaßt werden. ■» ändert sich in Abhängigkeit von den Winkeln zwischen der Fläche senkrecht zur optischen Achse und den a- und fc-Achsen.

Dementsprechend kann, wenn der Analysator 2 entfernt wird, die Schwingungsrichtung von einfallendem, linearpolarisiertem Licht um 90° gedreht werden. Wenn der Analysator 2 verwendet wird, läßt sich die Menge des durchgelassenen Lichtes durch eine Spannung von wenigstens gleich dem Koerzitivfeld zwischen Überfluß- und Verarmungszuständen variieren.

Wenn die Kristallplatte 3 in F i g. 4 senkrecht zur optischen Achse geschnitten ist, findet eine Doppelbrechung in der P ichtung der optischen Achse nicht statt. Wenn indessen der Polarisationszustand der Kristallplatte 3 umgekehrt wird, ergibt sich Doppelbrechung, da die optische Achse um 90 gedreht wird.

Durch Anbringung durchsichtiger Elektroden in Form einer Matrix an beiden Oberflächen einer unregelmäßigen ferroelektrischen Kristallplatte, wie z. B. eines GMO-Kristallelementes, und durch Anlegen der erforderlichen Spannung (mindestens gleich dem Koerzitivfeld des Kristalls) an jede durchsichtige Elektrode läßt sich eine gewünschte Information an jeder Stelle jedes Matrixelements in der Weise speichern, daß die Information »1« dem Zustand A-Ps und die Information »0« dem Zustand -Ps entspricht. Wenn Licht durch solche Elemente, die sämtlich Information speichern, durchtritt, unterscheidet sich die durch die Elemente durchtretende Lichtmenge von Element zu Element in Abhängigkeit von seinem Polarisationszustand. So kann die gespeicherte Information zerstörungsfrei mit Licht ausgelesen werden. Eine solche Auslesung hat ein hoho Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis, und es läßt sich damit eine Speichervorrichtung mit pmngcn Abmessungen und großer Kapazität aufbauen.

Es sollen nun noch einige Ausführungsbeispiek näher erläutert werden.

Beispiel 1

Wie Fig. 6 und 7 zeigt, ist cmc Plat:e 3 aus einen-GMO-Einkristall in Z-Schniii mit einer Dicke von 0.65 mm, die mit durchsichtigen Elektroden 6 au* z. B. SnO₂ oder InO₂ auf den beiden e-Flächen mit einer Fläche von IO μ bzw. IO mm χ IO mm versehen ist, zwischen einem Polarisator 1 und einen:

Analysator 2 angeordnet. Die 6-Achse des Kristalls 3 bildet einen Winkel von 25" mit der Polarisationsebene des Polarisators 1, und der Wirtel zwischen den Polarisationsebenen des Polarisators 1 unddesAnalysators 2 ist 45°. Gebündeltes monochromatisches Licht 4 einer Wellenlänge / = 550 πΐμ wird durch den Polarisator 1 hindurch auf die Kristallplatte 3 gerichtet. Das Licht 4 ändert sich infolge seines Durchganges durch den Polarisator 1 zu linearpolarisiertem Licht 4₀. Dann kann die Anordnung, wenn die Spannung (300 V), die an die Kristallplatte 3 angelegt ist, mittels einer mit einer Spannungsquelle verbundenen Steuerung justiert wird, als Lichtmodulator oder als optischer Verschluß verwendet werden. Die Beziehung zwischen der Menge des durchgelassenen Lichts und der angelegten Spannung ist so, wie sie F i g. 1 d zeigt. Wenn man alternativ den Analysator 2 aus der Anordnung nach F i g. 7 entfernt, kann diese Anordnung als Polarisationsebenenrotor zum Drehen der Polarisationsebene des linearpolarisierten Lichts um 90 verwendet werden.

Beispiel 2

Wenn als Kristallplatte 3 eine solche mit geeigneter Dicke verwendet wird, beobachtet man Interferenzfiguren, wie sie F ig. 5 zeigt. Die bei diesem Beispiel verwendete Kristallplatte 3 ist in der Weise angeordnet, daß ihre optische Achse mit der optischen Achse der ganzen Anordnung zusammenfällt oder nur etwas schräg dazu steht. Oder alternativ wird eine Kristallplatte 3, die senkrecht zu ihrer optischen Achse geschnitten und mit durchsichtigen Elektroden auf beiden Schnittflächen versehen ist, verwendet, und Licht wird senkrecht oder etwas schräg zu den Schnittflächen gerichtet. Dann ist die Menge des durchgelassenen Lichts Null, oder sie wächst, wenn durch Anlegen eines elektrischen Feldes eine Polarisationsumkehr verursacht wird.

In Analogie zu den Ferroelektrika sind Ferroelastika Verbindungen mit zwei oder mehr Zuständen !Orientierungen) mit verschiedener innerer Gitterspannung ohne äußere mechanische Spannung und mit der Eigenschaft einer Umwandlung zwischen diesen Zuständen durch Einwirkung einer äußeren mechanischen Spannung. Ferroelastika zeigen ohne äußeres elektrisches Feld für den Zusammenhang zwischen der von außen ausgeübten mechanischen Spannung X und der inneren Gitterspannung '/. ihrer Kristalle allgemein rechteckige Hysteresisschleifen. die den in F i g. 1 a bis 1 c gezeigten Hysteresisschleifen ähnlich sind.

In F i g. 1 a oder Ib entspricht die Kurve AC einem ersten orientierten Zustand, und die Kurve DB entspricht dem anderen orientierten Zustand. Der erste Zustand wird »1 »-Zustand, und der /weite Zustand wird »0«-Zustand genannt. Eine Hälfte der Oifferen/ /wischen den Polarisationen in beiden Zuständen oder Ps bzw. eine Hallte der Difieren/. /wischen den Gitterspannungen oder .Ys in Abwesenheit sowohl eines elektrischen l'eldes als auch einer äußeren Spannung werden spontane Polarisation bzw. spontane Gitterspannung genannt. Das /um fbcrgang vom »0«-Zustand zum »!«-Zustand erforderliche elektrische Feld E₁ und die dazu erforderliche Spannung AY nennt man Koerzitivfeld bzw. Koerzitivspannung.

Unregelmäßige I enoelektrika. wie /.B. GMO. sind nicht nur Ferroelektrika. sondern auch Fei' ■

elastika. Die Art und die Richtung einer für eine Umwandlung des ferroelartischen Zustands anzulegenden Spannung sind wie folgt: Wenn die z-Achse parallel zur 4-Symmetrieachse in der gewöhnlichen elastischen Phase (der Phase oberhalb der Curie-Temperatur) ausgerichtet wird und die X- und die y-Achse senkrecht zu zwei Symmetrieflächen stehen, orientiert sich eine Einheitszelle in der ferroelektrischen Phase (der Phase unterhalb der Curie-Temperatur), wie in A und B in Fig. la oder Ib gezeigt ist, zum »O«-Zustand bzw. »1 «-Zustand. Um daher einen übergang vom »0«-Zustand zum »1 «-Zustand auszulösen, kann es nützen, daß ein Druck auf die Kristallfläche senkrecht zur x-Achse und/oder eine Spannung an der Kristallfläche senkrecht zur y-Achse einwirkt. Oder es kann dienlich sein, auf den Kristall längs zweier Paare von Kristallflächen, die einen Winkel von 45° sowohl mit der x-Achse als auch mit der y-Achse bilden, eine Scherkraft einwirken zu lassen. Um einen übergang vom »1«-Zustand zum »0«-Zustand eintreten zu lassen, kann man einen Druck auf die Kristallfläche senkrecht zur y-Achse aufbringen und/oder eine Spannung auf die Kristallfläche senkrecht zur x-Achse einwirken lassen. Man kann auch eine Scherkraft entgegengesetzt zu der erwähnten Scherkraft auf den Kristall längs zweier Paare von Kristallflächen, die einen Winkel von 45 mit sowohl der x-Achse als auch der y-Achse bilden, einwirken lassen.

Selbst wenn die Konfiguration des Kristallelements derart ist, daß keine Kristallfläche senkrecht oder in einem Winkel von 45° zur x- oder y-Achse liegt, ist es möglich, einen Übergang des Zustands durch eine Spannung hervorzurufen.

Da GMO eine spontane Polarisation aufweist, deren Richtung mit dem Zustandsübergang variiert, ist die spontane Polarisation geeignet, elektrostatisch zu einem Zustandsübergang aufgrund einer Spannung zu führen. Doch kann diese Reaktion durch Anbringen eines Paares von Elektroden an geeigneten Kristallflächen und durch Kurzschließen dieser Elektroden eliminiert werden.

Die spontane Gitterspannung A₅ von GMO wird definiert durch

I X22 -

worin 11 und 22 Ausdehnungskoeffizienten des Kristalls in der x- und der y-Richtung sind.

Ferroelastika außer GMO sind: Kaliumdihydrogenphosphat. KH₂PO₄ (in seiner ferroelektrischen Phase bei Temperaturen von -150 C oder darunter) das Dideuterat des Ammoniumarsenats (NH₄)D₂AsO,, (hei Temperaturen von 27"C oder niedriger); Rochelle· ^aIz. KNaC₄H₄O,, 4H₂O (bei Temperaturen z.wi sehen 24 C und -18'C einschließlieh): Cadmium

ι... ammoniumsulfat (NH₄I₂Cd₂(SO₄), (bei Temperaturer von 178 C oder niedriger): das Dodecylhydra des Aluminiummethylammoniumsulfals (bei Tem peraturen von —96 C oder niedriger).

Allgemein variieren Fcrroelektrika in ihrem Brc

(,5 chungsindcx durch Zustandsumwandiung.

Ein Ausführungsbeispiel, das auf der Vorstehern beschriebenen Eigenschaft der Ferroelastika basiert Mill nun beschrieben werden.

Beispiel 3

Eine Kristallplatte 3 ict zwischen einem Polarisator 1 und einem Analysator 2 angeordnet, deren Polarisationsebenen senkrecht aufeinandcrstehen. s wie F i g. 8 zeigt. Die Kristallplatte 3 ist aus einem GMO-Einkritall in der Weise geschnitten, daß ihre beiden Hauptflächen mit einem Abstand von 100 Mikron senkrecht oder etwas schräg zur optischen Achse stehen. Die Kristallplatte 3 ist außerdem an ihren Hauptflächen nach Polieren dieser Hauptflächen mit Gruppen von durchsichtigen Elektroden 8, 8'. 8" ...; 9, 9', 9"... aus SnO² oder InO₂ jeweils mit einer Breite von 1 mm versehen. Diese Elektrodengruppen sind so angeordnet, daß sie eine Zeilen- und Stellen- ,₅ wert-Zuordnung aufweisen, wie F i g. 9 zeigt. Eine Spannungsquelle 1! zur Anlegung einer negativen Spannung in Höhe der Hälfte des Koerzitivfeldes E_c des Kristalls ist mit den Elektroden verbunden, wie Fig. 10 zeigt. Jede Gruppe der durchsichtigen Elektroden besteht in dem Ausfuhrungsbeispiel aus 10 Elektroden, so daß eine 10 χ 10-Bit-Speichervorrichtung mit 10² Speicherelementen gebildet wird.

Die Speicherelemente können Information durch Zuführung eines gewünschten Signals, z. B. eines Impulses von -f 120 V mit einer Dauer von 10 Mikrosekunden zu den Elektroden 8, 8', 8" ...: 9.9', 9" .. . speichern. Die Auslesung der gespeicherten Information wird mittels Durchstrahlung mit Licht durch den Polarisator 1 und die Kristallplatte 3 und Auswertung des durch das Element hindurchgegangenen Lichtes über den Analysator 2 mittels eines Phototransistors 5 vorgenommen. Das durch das Element hindurchgegangene Licht ist stark, wenn das Element eine »1« speichert, und schwach, wenn es eine »0« speichert.

Die vorstehend beschriebene Auslesung von gespeicherter Information arbeitet mit der Helligkeit des Lichtes. Jedoch kann die Auslesung von gespeicherter Information auch auf die Lichtwellenlänge abgestellt werden.

Wenn in F i g. 4 eine Kristallplatte 3 so angeordnet wird, daß ihre z-Achse parallel zu weißem Licht ist, wird sie etwas gefärbt. Ein GMO-Kritall ist bei Raumtemperatur biaxial doppelbrechend, und seine optisehen Achsen scheiden die z-Achse symmetrisch zueinander. Der optische Axialwinkel des GMO-Kristalls ist etwa 11^J bei Raumtemperatur und 0" bei der Curie-Temperatur, wo er uniaxial wird.

Durch die Anordnung nach Fig. 4 bei Raumtemperatur lassen sich Interferenzflächen um die beiden Optoaxiaipunkte α und b gemäß Pig. 5 beobachten, und die Umgebungen der Interferenzfiguren sind gefärbt. Die Interferenzfiguren lassen siel als geometrische Orte gleicher Verzögerung betrach ten. Da die Verzögerung R die Beziehung R = ι (",,-H₀) erfüllt, wobei d die Dicke des Kristalls unc "0 und η,, die Brechungsindizes der beiden außer ordentlichen Strahlen sind, ist der Unterschiec I" = n_e--n₀ zwischen den Brechungsindizes in dei Richtung der optischen Achse 0, und die Different In wird größer, wenn die Abweichung von der op tischen Achse größer wird.

Die Interferenzfarbe wird durch die Verzögerung F bestimmt. Helle Farben ergeben sich für Verzögerungen R zwischen 400 π_μ und 800 πΐμ. Wenn die Verzögerung R in der Nähe von 800 πΐμ liegt, ist die Farbe rot. und wenn die Verzögerung R in der Nähe von 400 mti liegt, ist die Interferenzfarbe blau. Da die Differenz l/i bei einer gegebenen Dicke des Kristall? mit dem Raumwinkel um die optische Achse variiert ändert sich die Farbe des durch den Kristall hindurchgegangenen Lichts entsprechend. Dementsprechend kann man, wenn die optische Achse des Kristalls gegenüber den Lichtstrahlen entsprechend der Dicke des Kristalls geeignet geneigt ist. eine gewünschte Farbe für das durchgelassene Licht erzielen. Wenn der Kristall festgelegt ist und die Optoaxialfiäehe durch Polarisationsumkehr gedreht wird, ändert sich allgemein die Farbe des Lichts. Es ist leichter, die beiden Farben zu unterscheiden, wenn ihre Wellenlängen so weit wie möglich verschieden sind.

Der Winkel der optischen Achse des Kristalls relativ zum Lichteinfall kann wirksam gewählt werden, indem man die Interferenzfarbe beobachtet, die der Ort der Verzögerung R nach F i g. 5 ist. Wenn 1. B. eine c-Knstallplatte einer Dicke von 0.2 mm im binbereichszustand auf 1 Γ in Richtung der Achse h und 7 in Richtung der Achse </ gestellt wird, ist die Farbe im +Ps-Zustand rot und im Ps-Zustand blau.

Wenn daher die Kristallplatte 3 in Fig. 8 durch eine solche Kristallplatte ersetzt wird, können die Inhalte der Speicherung direkt identifiziert werden Wenn weiter Photodioden mit verschiedener Emphndlichkeit für zwei Wellenlängen, die die Inhalte der Speicherung anzeigen, verwendet werden oder wenn Photodioden mit einer Empfindlichkeit jeweils nur fur eine der Wellenlängen verwendet werden, tonnen die Inhalte der Speicherung mit einem elektrischen Signal, das ein gutes Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis aufweist, ausgelesen werden.

Das Nutzsignal/Störsignal-Verhältnis für das Auslesesignal kann noch erheblich erhöht werden, indem man ein /./4-Plättchen 10 ffir die mittlere Wellenlänee des weißen Lichts zwischen den Analysator 2 und den Phototransistoren 5 in Fig. 10 einfügt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtmodulator mit einer zwischen einem Polarisator und einem Analysator mit gegeueinander verdrehten Polarisationsebenen in den Strahlengang des zu modulierenden Lichts eingefügten und an ihren beiden senkrecht zur kristallographischen c-Achse verlaufenden Hauptflächen mit Elektroden versehenen, ferroelektrischen Kri- ₎₀ stallplatte, an die über die Elektroden ein elektrisches Feld mit zur Umkehrung der Polarität ihrer spontanen dielektrischen Polarisation ausreichender Feldstärke anlegbar ist, dadurch.g ekennze ich ft et, daß die Kristallplatte (3) aus einem unregelmäßigen Ferroelektrikum mit einer Verdrehung um 90° um die c-Achse entsprechender Verformung bei Umkehr der Richtung ihrer spontanen dielektrischen Polarisation besteht.

2. Lichtmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallplatte (3) eine Molybdän-Gadolinium-Oxydstruktur der allgemeinen Formel (RJR₁^)₂O₃Mo₁ __eW_eO₃ aufweist,

in der R und R' wenigstens je ein Element der leltenen Erden, χ eine zwischen 0 und 1 liegende Zahl und e eine zwischen 0 und 0,2 liegende Zahl bedeutet.

3. Lichtmodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallplatte (3) »us Gd₂(MoO₄J₃ besteh».

4. Lichtmodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallplatte (3) •us Tb₂(MoO₄J₃ besteht.

5. Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichaet, daß in den Strahlen-Cing des die Kristallplatte (3) durchstrahlenden ichts außerdem ein A/4-Plättchen (10) für die mittlere Wellenlänge des weißen Lichts eingefügt ist.

6. Lichtmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis S, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (6) auf den Hauptflächen der Kristallplatte (3)

in zwei Gruppen von zueinander parallelen transparenten Teilelektroden (8, 8', 8"... bzw. 9, 9', 9" ...) unterteilt sind, die von Gruppe zu Gruppe gemäß den Zeilen und Spalten einer Matrix angeordnet sind.

7. Lichtmodulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilelektroden (8, 8', 8"...; 9, 9', 9"...) aus SnO₂ oder aus InO₂ bestehen.