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Das Ziel dieser Arbeit ist die optische Untersuchung von ferroelektrischen Domänen und Domänenwänden auf lokaler Skala. Dafür wurden neuartige nichtinvasive Ansätze entwickelt, die auf der Anwendung optischer Rastersondenmikroskopie basieren. Die untersuchten Schlüsseleigenschaften umfassen den elektrooptischen Effekt für verschiedene Domänenorientierungen und die Brechungindexänderungen an Domänenwänden an Bariumtitanat-Einkristallen. Die lokale Messung der elektrooptischen Eigenschaften wurde mit räumlich stark begrenzten elektrischen Feldern durchgeführt, die mittels elektrisch leitfähigen Spitzen angelegt wurden. Dieser experimentelle Ansatz erlaubt nicht nur die Messung verschiedener elektrooptischer Koeffzienten, sondern auch die Unterscheidung von allen auftretenden, auch antiparallelen, Domänenausrichtungen. Durch Anlegen eines zusätzlichen elektrischen Feldes mittels der gleichen Spitze konnte auch das ferroelektrische Schalten mit dieser optischen Methode untersucht werden. Die Experimente wurden durch eine numerische Modellierung der elektrischen Feldverteilung und der resultierenden elektrooptischen Antwort begleitet. Die Ergebnisse der Modellierung sind dabei in sehr guter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Dies erlaubt auch die Trennung von Beiträgen verschiedener elektrooptischer Koeffzienten und den entsprechenden Feldkomponenten. ür die experimentelle Untersuchung von den theoretisch vorhergesagten Brechungsindexprofilen einzelner Domänenwände, wurde die Sensitivität der optischen Sonde auf lokale Änderungen des Brechungsindex mittels Polarisations- und Positionsmodulation erhöht. Obwohl die Abbildung einer einzelnen Domänenwand nicht gelang, konnte damit zumindest eine obere Grenze für den optischen Effekt einer Domänenwand experimentell gewonnen werden, welche verträglich mit den theoretischen Vorhersagen ist. / The goal of this thesis is the optical investigation of ferroelectric domains and domain walls at the very local scale. For that, novel noninvasive approaches based on optical scanning probe microscopy are developed. The key properties investigated are the electrooptic effect for different domain orientations and refractive-index changes at single domain walls of barium titanate single crystals. The local probing of the electro-optic response is performed with strongly confined electric fields, applied via a conductive tip. With this approach we can not only probe different electro-optic coeffcients, but also identify all occurring domain orientations, even antiparallel ones. The application of additional bias fields by the same tip is used to investigate ferroelectric switching and domain growth by optical means. The experiments are supported by numerical modelling of the electric-field distribution and the resulting electro-optic response. The modelling shows excellent agreement with the measurements, and allows us to separate the contributions of different electro-optic coeffcients and their associated electric-field components. For the experimental observation of the theoretically predicted refractive-index profiles at single ferroelectric domain walls, polarization and position modulation of the optical probe is used to obtain high sensitivity to local modifications of the refractive index. An upper limit to the optical effect to the optical effect of a single domain wall is deduced from the experiment, which is compatible with the effect predicted by theory.

Das Ziel dieser Arbeit ist die optische Untersuchung von ferroelektrischen Domänen und Domänenwänden auf lokaler Skala. Dafür wurden neuartige nichtinvasive Ansätze entwickelt, die auf der Anwendung optischer Rastersondenmikroskopie basieren. Die untersuchten Schlüsseleigenschaften umfassen den elektrooptischen Effekt für verschiedene Domänenorientierungen und die Brechungindexänderungen an Domänenwänden an Bariumtitanat-Einkristallen. Die lokale Messung der elektrooptischen Eigenschaften wurde mit räumlich stark begrenzten elektrischen Feldern durchgeführt, die mittels elektrisch leitfähigen Spitzen angelegt wurden. Dieser experimentelle Ansatz erlaubt nicht nur die Messung verschiedener elektrooptischer Koeffzienten, sondern auch die Unterscheidung von allen auftretenden, auch antiparallelen, Domänenausrichtungen. Durch Anlegen eines zusätzlichen elektrischen Feldes mittels der gleichen Spitze konnte auch das ferroelektrische Schalten mit dieser optischen Methode untersucht werden. Die Experimente wurden durch eine numerische Modellierung der elektrischen Feldverteilung und der resultierenden elektrooptischen Antwort begleitet. Die Ergebnisse der Modellierung sind dabei in sehr guter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen. Dies erlaubt auch die Trennung von Beiträgen verschiedener elektrooptischer Koeffzienten und den entsprechenden Feldkomponenten. ür die experimentelle Untersuchung von den theoretisch vorhergesagten Brechungsindexprofilen einzelner Domänenwände, wurde die Sensitivität der optischen Sonde auf lokale Änderungen des Brechungsindex mittels Polarisations- und Positionsmodulation erhöht. Obwohl die Abbildung einer einzelnen Domänenwand nicht gelang, konnte damit zumindest eine obere Grenze für den optischen Effekt einer Domänenwand experimentell gewonnen werden, welche verträglich mit den theoretischen Vorhersagen ist. / The goal of this thesis is the optical investigation of ferroelectric domains and domain walls at the very local scale. For that, novel noninvasive approaches based on optical scanning probe microscopy are developed. The key properties investigated are the electrooptic effect for different domain orientations and refractive-index changes at single domain walls of barium titanate single crystals. The local probing of the electro-optic response is performed with strongly confined electric fields, applied via a conductive tip. With this approach we can not only probe different electro-optic coeffcients, but also identify all occurring domain orientations, even antiparallel ones. The application of additional bias fields by the same tip is used to investigate ferroelectric switching and domain growth by optical means. The experiments are supported by numerical modelling of the electric-field distribution and the resulting electro-optic response. The modelling shows excellent agreement with the measurements, and allows us to separate the contributions of different electro-optic coeffcients and their associated electric-field components. For the experimental observation of the theoretically predicted refractive-index profiles at single ferroelectric domain walls, polarization and position modulation of the optical probe is used to obtain high sensitivity to local modifications of the refractive index. An upper limit to the optical effect to the optical effect of a single domain wall is deduced from the experiment, which is compatible with the effect predicted by theory.

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With power generation and consumption placed further away from each other, with for example increased offshore power production, the need for HVDC transmission systems increases. As voltage levels in the HVDC transmission system are raised, the losses can be decreased, enabling efficient power transfer over longer distances. Such an increase in voltage levels comes with questions regarding insulation performance due to increased electrical field stress in high voltage apparatus, particularly in and around cable terminations. Thus, physical measurements of electrical fields or voltage potentials in air are of interest to improve the understanding of the electrical fields around cable terminations as well as to verify and develop simulation models for use at ultra high voltage. In this thesis, different measurement systems and sensors for electrical field measurements are investigated, and their benefits and drawbacks are compared to a known previously implemented reference measurement system with known strengths and limitations. Two new conceptual measurement systems with a sensor concept and positioning system are developed and proposed for a set of given conditions, such as measurement around cable terminations in air. The first proposed system is based on a shutter field mill sensor placed on variable electric potential. The second system is based on the reference system's sensor design modified to remove the need for a large positioning system. The feasibility of the two measurement systems is investigated further utilizing a COMSOL model and a mechanical prototype. The simulation model is used for electrical field simulations around cable terminations in a 2D-axisymmetric geometry as well as a 3D geometry to verify the first measurement system. The mechanical prototype is utilized to test and verify the possibility of implementing the second system's positioning system. The two final proposed measurement systems can be further developed and used as a foundation for a future implemented measurement system. / Ökad elproduktion i form av exempelvis vindkraftsverk placerade till havs leder till elproduktion och konsumtion placerad med större avstånd från varandra, vilket skapar ett behov av HVDC transmissionssystemm. Genom att höja spänningsnivåerna i transmissionssystemet kan förluster minskar, vilket möjligör effektiv kraftöverföring över längre avstånd. En sådan ökning av spänningsnivåerna i transmissionssystemet kommer med obesvarade frågor angående isoleringsprestanda i högspänningsutrustningen på grund av en höjd elektrisk stress, med särskilt intresse gällande påverkan på kabelavslut. Därför är fysiska mätningar av elektriska fält eller potentialer i luft av intresse för att förbättra förståelsen av det elektriska fältet kring kabelavslut, samt att verifiera och utveckla simuleringsmodeller för användning vid ultrahög spänningspotentialer. I detta examensarbete har olika mätsystem och sensorer för elektriska fältmätningar utredits och deras fördelar och nackdelar jämförts med ett känt tidigare implementerat rereferensmätsystem med kända styrkor och begränsningar. Två nya konceptuella mätsystem med sensorkoncept med tillhörande positioneringssystem utvecklas och föreslås för en uppsättning givna förhållanden, som t.ex mätning kring kabelavslutningar i luft. Det första föreslagna systemet är baserat på en fältkvarnssensor placerad på variabel elektrisk potential. De andra systemet är baserat på referenssystemets sensordesign modifierad för att ta bort behovet av ett stort positioneringssystem. Genomförbarheten av de två mätsystem undersöks vidare med användning av en COMSOL-modell och en mekanisk prototyp. Simuleringsmodellen används för elektriska fält simuleringar kring ett kabelavslut i en 2D-axelsymmetrisk geometri samt i en 3D-geometri för att verifiera det första mätsystemet. Mekaniska prototypen används för att testa och verifiera möjligheten att implementera andra systemets positioneringssystem. De två föreslagna mätsystemen kan vidareutvecklas och användas som en grund för ett framtida implementerat mätsystem.