Ferroelektrischer Verschluss
Englisch: ferroelectric shutter
Verschluss aus einer ferroelektrischen Kristallplatte zwischen zwei Polarisatoren, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinander stehen
Ferroelektrischer Verschluss: elektrisch gesteuertes Kristalllichttore
Ein ferroelektrischer Verschluss ist ein optisches Bauelement, das Licht blockiert oder durchlässt, indem es seinen Polarisationszustand bei Anlegen eines elektrischen Feldes dreht. Das Kernelement ist eine Schicht aus ferroelektrischem Kristall, typischerweise Lithiumniobat oder ähnliches Material, eingefasst zwischen zwei Polarisationsfiltern, die um 90 Grad versetzt sind (gekreuzte Polarisatoren). Ohne angelegte Spannung kann Licht, das durch den ersten Polarisator eintritt, den zweiten nicht passieren. Bei Anlegen eines ausreichend starken elektrischen Feldes über den Kristall dreht sich die Polarisation des Lichts um 90 Grad, wodurch es durchgelassen wird.
Der ferroelektrische Effekt in diesen Kristallen ist ein permanentes elektrisches Dipolmoment, das durch ein angelegtes Feld neu ausgerichtet werden kann. Diese Neuausrichtung ändert den Brechungsindex in der Ausbreitungsrichtung und erzeugt eine Doppelbrechung, die als Rotor für linear polarisiertes Licht wirkt. Die Schaltgeschwindigkeit hängt vom Kristallmaterial und der Dicke ab und liegt typischerweise im Bereich von Mikrosekunden bis Millisekunden. Lithiumniobat-Verschlüsse können bei moderaten Spannungen (hundert Volt) in Zehnerbruchteilen von Mikrosekunden schalten, was sie für Hochgeschwindigkeitskameras und Laseranwendungen nützlich macht.
Praktischer Betrieb und Verschleiß
Die Effektivität eines ferroelektrischen Verschlusses hängt vom Extinktionsverhältnis ab, das angibt, wie vollständig er Licht im ausgeschalteten Zustand blockiert und wie vollständig er Licht im eingeschalteten Zustand durchlässt. Extinktionsverhältnisse von 100:1 bis 1000:1 sind typisch. Ferroelektrisches Schalten ist jedoch nicht momentan und zeigt Hysterese: Die Polarisationsdrehung hängt von der Historie des angelegten Feldes und nicht nur von seinem aktuellen Wert ab. Diese Hysterese kann zu Übersprech zwischen Bildern bei Serienaufnahmen führen. Die Kristalle sammeln auch Raumladung im Laufe der Zeit an, was den Schaltkontrast verringert und schließlich dazu führt, dass das Bauelement als wirksamer Verschluss ausfällt.
Ferroelektrische Verschlüsse werden am häufigsten in Hochgeschwindigkeitskamerasystemen, Laser-Strahlunterbrechern und optischen Schaltern verwendet, wo mechanische Verschlüsse zu langsam sind. Sie werden gegenüber elektrooptischen Modulatoren in Pockels-Zellen bevorzugt, weil ferroelektrische Kristalle niedrigere Spannungen und einfachere Ansteuertechnik benötigen. Allerdings sind sie empfindlicher gegenüber thermischer Drift als Pockels-Bauelemente, und ihre Leistung verschlechtert sich merklich oberhalb von 60 Grad Celsius.
Die Bezeichnung spiegelt die Physik wider: Ferroelektrische Materialien behalten spontane Polarisation auch nach dem Entfernen eines äußeren Feldes bei, anders als normale Dielektrika. Dieser Gedächtniseffekt ermöglicht das Verschließen, erzeugt aber auch die Hystereseprobleme, die ihre Geschwindigkeit begrenzen. Für Anwendungen, die echtes Nanosekunden-Schalten und vollständige Extinktion erfordern, bleiben akustooptische Modulatoren oder mechanische Verschlüsse trotz ihrer anderen Nachteile zuverlässiger.