CN102032946B - 同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法 - Google Patents

Abstract

一种光电测量技术领域的同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法，采用棱镜耦合激发表面等离子波，使得入射光能量耦合到表面等离子波模式和导波模式中，反射光能量急剧衰减形成一系列共振曲线即衰减全反射ATR曲线。外加三角波电压调制入射光，ATR曲线水平微量移动，反射光强发生变化，通过变化量求出Pockels系数和Kerr系数。

Description

同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法

技术领域

本发明涉及的是一种光电测量技术领域的方法，具体是一种同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法。

背景技术

光子学和材料科学的交叉融合，使有着特殊功能的全新光子学器件成为研究的热点。聚合物光子学材料是一类可以对光子进行传输、调制、显示和存储的新型聚合物功能材料。它具有以下特点：一是结构具有多样性，可以根据需要通过合理的分子设计进行合成和裁剪，制备出具有特定结构的功能材料；二是聚合物材料兼容性好，光学非线性强，响应时间快，驱动电压低，可使电光器件获得高调制带宽；三是具有高光热系数和低热传导率，柔韧性强，造价低廉，易于加工，可用于短距离信息传输、计算机内部光互联等领域。由于具有以上特点和良好的发展趋势，聚合物光子学材料逐渐成为制作全新光子学器件的首选材料之一。

物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率随外加电场而发生变化的现象为电光效应。外加电场引起的折射率变化正比于电场强度称为Pockels效应即线性电光效应，外加电场引起的折射率变化正比于电场强度的平方则称为Kerr效应即二阶非线性电光效应。利用电光效应可以制作电光调制器，电光开关，电光光偏转器等，可用于光闸，激光器的Q开关和光波调制；在高速摄影，光速测量，光通信和激光测距等激光技术中电光效应也都有重要应用。电光系数是描述材料电光效应的参数，反应了材料的非线性光学性质的优劣，它对调制器的驱动电压和功率消耗以及光开关的响应速度等都起着决定性的作用。快速、方便、精确地测量材料的电光系数，对新材料的合成设计、极化工艺研究、功能器件的制备均具有实际意义。

经过对现有技术的检索发现，日本Fusheng Qiu等人在《Applied Physics Letters》(《应用物理快报》)Vol.65(13)：1605-1607，July 1994(1994年7月，第65卷(第13期)第1605-1607页)中的论文“Determination of complex tensor components of electro-optic constants of dye-dopedpolymer films with a Mach-Zehnder interferometer”(利用M-Z干涉仪法测量燃料掺杂型聚合物薄膜电光系数的复张量元)提出了用M-Z干涉法测量电光系数的张量元，但该方法测量装置比较复杂，样品加工的要求较高。美国TENG，C.C等人在《Applied Physics Letters》(《应用物理快报》)Vol.56(18)：1734-1736，April 1990(1990年4月，第56卷(第18期)第1734-1736页)中的论文“Simple reflection technique for measuring the electro-optic coefficient of poledpolymers”(测量极化聚合物电光系数的简单反射法)中用简单反射法测量电光系数的张量元，但该方法忽略了自然双折射的作用，且做了近似处理，不能准确地测量一次电光系数的张量元。IBM研究部的R.H.Page等人在《Journal of the Optical Society of America B》(《美国光学协会杂志B》)Vol.7，No.7，July 1990(1990年7月，第七卷第7期)上的论文“Electrochromic andoptical wave-guide studies of corona-poled electrooptic polymer-films”(电极化电光聚合物薄膜的电致变色和光波导研究)提出了用电致变色的方法测量电光系数，该方法是一种间接的测量方法，不是严格的电光效应的直接测量。再者，上述三种方法并没有涉及同时测量具有Pockels和Kerr两种效应的聚合物的电光系数。

发明内容

本发明针对现有技术测量单一电光系数的不足，提出一种同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法，采用棱镜耦合激发表面等离子波，使得入射光能量耦合到表面等离子波模式和导波模式中，反射光能量急剧衰减形成一系列共振曲线即衰减全反射(ATR)曲线。外加三角波电压调制入射光，ATR曲线水平微量移动，反射光强发生变化，通过变化量求出Pockels系数和Kerr系数。

本发明是通过以下技术方案实现，包括以下步骤：

第一步、采用旋涂法依次在棱镜的一侧上制备上电极、聚合物材料薄膜层、缓冲层和下电极以构成棱镜-波导结构；

所述的棱镜-波导结构中：上电极的厚度为150-200nm，有机聚合物导波层的厚度2-4μm，缓冲层的厚度2-4μm，下电极的厚度40-50nm。

所述的上电极和下电极为金元素、银元素、铝元素或铂元素制成，其介电常数实部ε_r≤-10，介电常数虚部ε_r≤-1.0。

第二步、通过入射角扫描使入射光在界面方向实现波矢匹配激发表面等离子波，形成ATR谱；再次扫描入射角并选择某一共振曲线的下降沿或上升沿的线性部分中点作为工作点。

第三步、对样品上下电极施加三角波调制的电压信号，ATR谱的共振峰发生水平微量移动且反射光强变化ΔI与工作角变化Δθ成正比：ΔI＝k·Δθ，其中：k是共振峰下降沿或上升沿线性部分中点的斜率；在电压作用下导波层聚合物产生电光效应，折射率变化量与三角波调制波形的电场强度满足以下关系：

其中：Δn₃₃为折射率变化量，γ₃₃为Pockels系数，s₃₃为Kerr系数，n₃为聚合物材料折射率，E为外加调制电场。

所述的光强变化ΔI与Pockels系数、Kerr系数、外加调制电场E和工作角θ满足以下关系：

n₁为棱镜折射率。

第四步、由三角波对应的正向最大调制电场E_max以及反向最大调制电场-E_max，得到示波器记录的对应正向反射光强变化ΔI₁和反向反射光强变化ΔI₂，联立后得到电光系数γ₃₃＝f₁(ΔI₁，ΔI₂，E_max，θ)＝κ(ΔI₁-ΔI₂)和s₃₃＝f₂(ΔI₁，ΔI₂，E_max，θ)＝κ(ΔI₁+ΔI₂)，其中：κ为比例常数，根据上述方式计算得到Pockels系数和Kerr系数。

所述的入射光的波长为300nm-4500nm。

所述的电压信号的电压为80V≤ΔV≤250V。

本方法通过转化，将复杂的电光系数转变为容易测量的光强变化，测量参数少，测量数据简单而且同时测出γ和s，弥补了只能测单一系数的不足，该方法可操作性强，对实验条件和设备要求低，切合实际应用。

附图说明

图1是电光测试样品结构；

图2样品ATR吸收峰偏移曲线；

图3电场随入射角变化曲线；

图4光电系数测量系统示意图；

图中：1入射光、2反射光、3棱镜、4耦合层上电极、5聚合物材料薄膜层、6缓冲层、7下电极、8波形产生器、9激光器、10偏振片、11探测器、12示波器、13样品、14AD转换器、15计算机、16步进计、17旋转仪。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-图4所示，本实施例测试环境包括：入射光1、反射光2、棱镜3、上电极4、聚合物材料薄膜层5、缓冲层6、下电极7、波形产生器8、激光器9、偏振片10、探测器11、示波器12、样品13、AD转换器14、计算机15、步进计16和旋转仪17，其中：棱镜3、上电极4、聚合物材料薄膜层5、缓冲层6、下电极7构成待测样品13即图1所示的棱镜-波导结构，自棱镜3至下依次为金膜电极耦合层和聚合物薄膜导波层构成的聚合物材料薄膜层5、缓冲层6和下电极7。

所述的棱镜-波导结构中：上电极的厚度为150-200nm，有机聚合物导波层的厚度2-4μm，缓冲层的厚度2-4μm，下电极的厚度40-50nm。

所述的上电极和下电极为金元素、银元素、铝元素或铂元素制成，其介电常数实部ε_r≤-10，介电常数虚部ε_r≤-1.0。

如图4所示为测试平台，“→”代表光线，“-”代表导线；样品置于旋转仪17的旋转轴中心，入射光1通过偏振片10入射至样品底面，反射光2入射至探测器11，探测器11经导线接入示波器12和计算机14，信号发生器8同时接入待测样品13和示波器12，计算机15经AD转换器14连接步进计16控制旋转仪17。

所述的入射光的波长为300nm-4500nm。

所述的电压信号的电压为80V≤ΔV≤250V。

1、样品制作

在棱镜3底边上溅射一层金膜4作为上电极和耦合层，接着在金膜4上用甩膜法旋涂法镀上待测有机聚合物薄膜5，然后在有机聚合物薄膜5上镀上6缓冲层，最后在缓冲层上镀上一层金膜作为下电极7。

2、装置安装和连接

A：将激光器9、偏振片10、旋转仪17先后“一”字顺序放置于实验台，三者间距适当即可，调节三者高度和位置至等高共轴。探测器11固定于旋转仪17外环，其高度根据反射光进行调节，步进计16集成在转角仪器上，样品13放置于旋转仪17转台中心。

B：波形产生器8、示波器12、AD转换器14、计算机15、步进计16组成电子系统，探测器11、波形产生器8同时接入示波器12显示调制信号和调制后的光信号，步进计16-AD转换器-计算机15按顺序接入组成扫描系统。

3、测量

A：选择工作点

TM模偏振光入射至样品表面，通过计算机控制步进计16驱动转角仪17转动，样品随转角仪同步转动，入射角在转动过程中不断变化，完成角度扫描，计算机15采集数据并显示ATR谱。选取合适的共振曲线，确定峰附近两边近似直线的下降沿区域，将该区域的中点选为工作点。通过控制步进计16驱动转角仪17，再次进行角度扫描，观察实时共振曲线，当曲线达到线性下降沿区域的中点时，停止驱动，将该点选为工作点。

B：实时测量

打开波形发生器8，输送三角波至样品13上下电极，同时输入数字示波器12显示直观波形。调制后的光信号经探测器11输入示波器12与所加调制信号进行对比，如图3所示。

C：电光系数计算

通过图3，选择电场大小相等和方向相反的电压作为计算参考值一般选取最大驱动E_max，E_max通过示波器测出，对应的光强ΔI₁，ΔI₂由示波器测出，κ通过辅助软件采集的光强和角度以及已知参数得出，由γ₃₃＝κ(ΔI₁-ΔI₂)和s₃₃＝κ(ΔI₁+ΔI₂)求出电光系数。

本方法中的激光器是832nm半导体激光器，但不局限于该激光器，具体可以根据实验条件和聚合物材料的吸收谱选取；样品的镀膜方法也不局限于溅射方法，具体的全反射工作角可根据材料的不同自行选取，只要满足全反射条件即可，示波器选取数字示波器较好。工作点的位置不固定，只要选取线性下降范围的中点即可，线性范围的大小选取可以有稍微误差。

Claims (5)

1.一种同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、采用旋涂法依次在棱镜的一侧上制备上电极、聚合物材料薄膜层、缓冲层和下电极以构成棱镜-波导结构；

第二步、通过入射角扫描使入射光在界面方向实现波矢匹配激发表面等离子波，形成ATR谱；再次扫描入射角并选择某一共振曲线的下降沿或上升沿的线性部分中点作为工作点；

第三步、对样品上下电极施加三角波调制的电压信号，ATR谱的共振峰发生水平微量移动且反射光强变化ΔI与工作角变化Δθ成正比；ΔI＝k·Δθ，其中：k是共振峰下降沿或上升沿线性部分中点的斜率；在电压作用下聚合物材料薄膜层产生电光效应，折射率变化量与三角波调制波形的的电场强度满足以下关系：

其中：Δn₃₃为折射率变化量，γ₃₃为Pockels系数，s₃₃为Kerr系数，n₃为聚合物材料薄膜层折射率，E为外加调制电场；

第四步、由三角波对应的正向最大调制电场E_max以及反向最大调制电场-E_max，得到示波器记录的对应正向反射光强变化ΔI₁和反向反射光强变化ΔI₂，联立后得到电光系数γ₃₃＝f₁(ΔI₁，ΔI₂，E_max，θ)＝K(ΔI₁-ΔI₂)和s₃₃＝f₂(ΔI₁，ΔI₂，E_max，θ)＝K(ΔI₁+ΔI₂)，其中：K为比例常数，根据上述方式计算得到Pockels系数和Kerr系数。

2.根据权利要求1所述的同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法，其特征是，所述的棱镜-波导结构中：上电极的厚度为150-200nm，聚合物材料薄膜层的厚度2-4μm，缓冲层的厚度2-4μm，下电极的厚度40-50nm。

3.根据权利要求1或2所述的同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法，其特征是，所述的上电极和下电极为金金属、银金属、铝金属或铂金属制成，其介电常数实部ε_r≤-10，介电常数虚部ε_r≤-1.0。

4.根据权利要求1所述的同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法，其特征是，所述的光强变化ΔI与Pockels系数、Kerr系数、外加调制电场E和工作角θ满足以下关系： $\mathrm{\ΔI}=f({\mathrm{\γ}}_{33},s_{33},E,\mathrm{\θ})=-k\·\frac{1}{2n_1\cos \mathrm{\θ}}{n}_3^3({\mathrm{\γ}}_{33}E+s_{33}{E}^2),$ n₁为棱镜折射率。

5.根据权利要求1所述的同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法，其特征是，所述的入射光的波长为300nm-4500nm。

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