CN1049495C - 铁电薄膜电光系数测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于测试铁电薄膜电光系数的方法，属于铁电薄膜测试领域。
本方法由接收光电流系统和控制系统二部分组成。接收系统由入射光1、起偏振器2、被测的铁电薄膜样品架3、外加电压装置4、1/4波片5、磁光调制器6、放在高精度读数盘上的检偏振器7、交变信号发生器8、光电倍增管9、示波器10和锁相放大器11组成。控制系统由相位移信号获取13和步进马达驱动15。正个控制系统12可通过操作键盘17完成。最小可测双折射率为10-5，最小可测光程差为0.05埃。
Description
本发明涉及一种铁电薄膜电光系数测试方法，属于铁电薄膜测试领域。
铁电薄膜是一种透明的功能材料，具有独特的电光性能，在电场作用下能产生光学性能的变化，因而在电光显示、存储、开关、调制等方面有重要的应用前景。
电光系数是衡量铁电薄膜电光性能的重要参数，也是薄膜电光器件设计的重要依据。
由于铁电薄膜的厚度在微米、亚微米量级，在电场作用下产生的相位推迟量(光程差)极小，一般仅为埃(A)的量级，比同样的块体单晶或陶瓷多晶体小5个数量级。因此不能采用现有测量块体材料电光系数的方法来测量薄膜的电光系数。据文献报导有两种方法可用来测量铁电薄膜的电光系数。一种是由H.Adachi等报导的方法，利用特殊的棱镜把经过薄膜的椭圆偏振光分解成两束偏振方向相互垂直的分量，然后用两个性能完全一致的光电接收器接收并进行比较，以标出电光系数。在这种方法中，对两个接收器的要求极其严格，任何参数的微小差异均会导致很大的测试误差，所以只能大致估计。另一种方法是F.Wang等报导的光弹调制法，虽能测得铁电薄膜10-6弧度相位推迟，但设备价格昂贵。
本发明的目的在于采用廉价磁光调制器，将光强幅度调制成相位变化，并通过计算机软硬件控制，可测得铁电薄膜10-6弧度的微小相位推迟变化，从而实现铁电薄膜电光系数的自动测量。
本发明的基本原理是利用磁光调制原理，对通过铁电薄膜的光信号进行相位调制，然后由普通光电倍增管接收光电流，将接收到的光电流通过计算机跟踪控制，从而实现铁电薄膜光电参数的自动测试。由此可见，可分辨到0.001的高精度角度读数盘及计算机软硬盘设计是本发明的核心构件。
下面结合实施例1进一步详细描述发明点。附图1是本发明提供的铁电薄膜电光系数测试方法中光电流接收系统的方块示意图。
1-入射光 2-起偏振器
3-被测的铁电薄膜样品架 4-外加电压装置
5-1/4玻片 6-磁光调制器
7-检偏振器 8-交变信号发生器
9-光电倍增管 10-示波器
11-锁相放大器
当被测薄膜样品放在样品架3上的加电场方向与起偏振器2和检偏振器7互成45°角时，样品架上的样品在电压4作用下，产生双折射Δn现象。当入射光1通过起偏振器2从样品架上的样品出射的光被分解成振动方向互相垂直、传播速度不同的两束偏振光，经1/4波片5补偿成新的偏振光，其光程差为Δn*1(1为样品厚度)。从磁光调制器6出射的偏振光的偏振方向相对于入射偏振光的偏振方向旋转了θ角。当磁光调制器6上加以交变信号时，则引起交变法拉第旋转角θ’：
θ’＝θ0 Sin ωt……(1)
式(1)中θ0为交变法拉弟旋转角的幅值，ω为加在磁光调制器6上信号角频率。系统中光强则为：
I(α-θ’)＝I0 Cos2(α-θ’)……(2)
式(2)中α为起偏振器2与检偏振器7偏振方向的夹角，I0为系统光强幅值，即入射到光电倍增管9的系统光强与起偏振器2和检偏振器7的夹角及磁光调制器6的调制情况有关。
如果加在磁光调制器6上的信号一定时，则入射到光电倍增管9的系统光强由起偏振器2与检偏振器7之间的夹角α决定。当α＝90°时，系统的光强只被倍频2ωt信号调制；而α偏离90°时，则系统的光强由基频和倍频调制决定。可通过示波器10直接观察或锁相放大器11定量测定α的偏离程度。检偏振器7放在高精度读数盘上，组成一个整体
当铁电薄膜3在电场作用下产生双折射Δn，造成α偏离90°，则通过旋转检偏振器7某一角度δ，使示波器10或锁相放大器11上只出现倍频分量，则可由Δn1＝λ/2π·δ计算出被测材料的电光系数(λ为光源波长)此时整个测试过程和数据处理由计算机控制系统12完成。
图2是本发明计算机控制系统，该系统的接口硬件由两部份组成：相位移信号获取和步进马达的驱动。来自锁相放大器11的相位移信号送入数-模转换A/D口13的输入端，在特定软件18控制下可以将相位移信号摄入，以相位移信号为依据，把由样品3在电场作用下产生的δ变化送入数字口14，在数字口的输出端产生驱动步进马达15所需的步进方向和步进脉冲信号，该信号经转换和功率放大16后驱动步进马达15动作，使检偏振器7产生微小的角位移，从而达到被检测的调制信号只包含有倍频分量，由图形和数据处理19可将测得的参数进行计算、作图和打印。整个计算机控制系统12可通过操作键盘17完成。
作为本发明的关键技术之一的高精度角度读数盘的设计，必须解决齿轮正反方向转动锲合欠佳的问题，采用锡磷青铜和优质碳钢作为涡轮涡杆的材料，使它们之间有良好的弹性接触，减少间隙，以达到可分辨到0.001°的精度。由于采用计算机控制步进马达特动，实现步进马达每前进一步相当于读数盘旋转0.0004°，从而使最小可测定的相位推迟量达7×10-5弧度保证使本发明测试高精度且不受环境光及温度影响具有高精度、低成本，易操作的优点。
本测试方法适用于铁电薄膜的电光系数、双折射率随电场变化特性的测试；其最小可测双折射率为10-5，最小可测光程差为0.05埃。
Claims (2)
1.一种用于测试铁电薄膜电光系数的方法，其特征在于实施该方法的装置由光电流接受系统和控制系统二部分组成：
(1)接收系统由入射光(1)、起偏振器(2)、被测的铁电薄膜样品架(3)、外加电压装置(4)、1/4波片(5)、磁光调制器(6)、放在高精度读数盘上的检偏振器(7)、交变信号发生器(8)、光电倍增管(9)、示波器(10)和锁相放大器(11)组成；
(2)控制系统的接口硬件由相位移信号获取和步进马达驱动二部分组成；来自锁相放大器(11)的相位移信号送入数+模转换A/D口(13)的输入端，在特定软件(18)控制下摄入相位移信号，以此为依据，将由放在样品架(3)上的样品，在电场作用下产生的δ变化送入数字口(14)，在数字口的输出端产生驱动步进马达(15)所需的步进方向和步进脉冲信号，该信号经转换和功率放大(16)后驱动步进马达(15)动作，使检偏振器(7)产生微小的角位移，由图形和数据处理(19)进行计算、作图、打印；整个计算机系统(12)可通过操作键盘(17)完成。
2.按权利要求1所述的测试方法，其特征在于高精度读数盘(7)是采用锡磷青铜和优质碳钢作为涡轮涡杆的材料。
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