CN106093596A - 可实现纳米级分辨率的空间电荷全光学测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电学性能测量技术领域，尤其是一种可实现纳米级分辨率的空间电荷全光学测量方法，测量步骤为在具有电极的试样上加一个陡峭的高压脉冲，介质中的空间电荷受到脉冲电场力的作用会发生一定的位移，这可以在介质中激发出弹性波，该弹性波携带了空间电荷的分布信息，通过对其测量和分析，就可以得到空间电荷在介质中的分布状态。本发明利用超短电磁波激发和弹光取样技术，实现具有纳米级分辨率的空间电荷分布测量方法，对材料中存在的空间电荷进行更精细的测量。
Description
技术领域
本发明涉及电学性能技术领域，尤其是一种可实现纳米级分辨率的空间电荷全光学测量方法。
背景技术
固体电介质材料在某些因素的作用下，改变了自身电荷的分布状态，或者俘获了外来电荷，使得在材料内部出现了局部的净电荷，这就是所谓的空间电荷。由于空间电荷与电介质材料的性能密切相关，因此，对电介质中空间电荷的产生及变化的测试是表征材料特性的重要方法。随着纳米绝缘材料研究与应用的兴起和深入，需要实现在纳米尺度上对电荷的空间分布进行测量。对电介质中空间电荷分布的非破坏性测量，按照测量原理可以归纳为，弹性波法、热波法、光电法、扫描探针法。其中前三类方法最高可获得约1μm的空间分辨率，扫描探针法在原则上可以获得纳米级的分辨率。但是扫描探针法本质是表面测量，对于不同类型的材料如何获得高质量的测量表面，是非常困难的问题，更重要的是在获得测量表面的过程中是否会引起电荷的重新分布也是一个复杂的问题。脉冲电声法（PEA）属于弹性波类的测量方法，其基本原理是，在具有电极的试样上加一个陡峭的高压脉冲，介质中的空间电荷受到脉冲电场力的作用会发生一定的位移，这可以在介质中激发出弹性波。该弹性波携带了空间电荷的分布信息，通过对其测量和分析，就可以得到空间电荷在介质中的分布状态。目前PEA方法的空间分辨率大约能达到约10μm。分辨率的限制来源于测试系统的带宽。测试的最高分辨率可以等效成在时域上对两个半高宽为τ的脉冲的分辨，当两个脉冲的中心相距为τ时称为恰能分辨。1/τ就是系统的工作带宽。对于脉冲电声法，空间分辨率R=τv，v是弹性波在介质当中的传播速度，对于电绝缘领域使用的典型材料聚乙烯，v=2000m/s。如果R=1nm，那么测试系统的带宽大约需要2×1012Hz，即2太赫兹（THz）。这样高的带宽是目前所有使用电子测试技术的空间电荷测试方法都无法达到的。
发明内容
为了克服现有的空间电荷测量不精细的不足，本发明提供了一种可实现纳米级分辨率的空间电荷全光学测量方法，利用超短电磁波激发和弹光取样技术，实现具有纳米级分辨率的空间电荷分布测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可实现纳米级分辨率的空间电荷全光学测量方法，测量步骤为在具有电极的试样上加一个陡峭的高压脉冲，介质中的空间电荷受到脉冲电场力的作用会发生一定的位移，这可以在介质中激发出弹性波，该弹性波携带了空间电荷的分布信息，通过对其测量和分析，就可以得到空间电荷在介质中的分布状态。
本发明的有益效果是，利用超短电磁波激发和弹光取样技术，实现具有纳米级分辨率的空间电荷分布测量方法，对材料中存在的空间电荷进行更精细的测量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是基于超短电磁波激发的脉冲电声法空间电荷全光学测量系统原理图。
图2是弹光取样传感器原理图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种可实现纳米级分辨率的空间电荷全光学测量方法，对于传统的PEA测试系统，限制系统工作带宽无法达到THz级别的因素主要有两个，其一是激励电压信号，其二是测试传感器和电路。利用电子电路无法处理如此高带宽的信号，所以在PEA测试系统中，应该对激励信号和响应测试方法进行根本改变，利用全新的原理进行工作。在激励端，用太赫兹超短电磁波代替原来的脉冲电压。而在测量端，用弹光取样传感器代替原来的压电传感器和电子放大器，即利用非线性光学材料构成的传感器接收携带电荷信息的弹性波。其工作原理是，接收传感器被线偏振激光照射，当弹性波作用到传感器上时，由于弹光效应使传感器的光学特性发生改变，通过检测探测光的偏振状态发生的变化就可以探测弹性波。同时结合光学延迟线进行时分辨取样，从而获得弹性波的时域信息，这一过程可称为弹光取样。这是一种全光学测量，克服了传统电学测量的限制，利用该方法可以使测量系统达到需要的带宽。
依据上述原理构成的测试系统如附图1所示。被测样品、弹光取样传感器与激励太赫兹波的耦合关系如附图2所示，图中，测试样品为纳米绝缘材料。基本工作过程是，一束偏振飞秒激光由分光镜分成两束，一束照射电光晶体材料（或者电光聚合物材料）激发出太赫兹超短电磁波。太赫兹波经反射镜组准直和聚焦后，作为激发波耦合到被测样品中，太赫兹波的电场分量与界面区中的空间电荷相互作用，激发出弹性波。被测样品与弹光取样传感器相耦合，弹性波由该传感器接收。分光镜输出的另一束为探测光，经光学延迟线延迟一定时间后照射到弹光取样传感器上。1/4波片和平衡检测器构成偏振状态检测单元，检测从弹光取样传感器输出的探测光偏振状态。光学延迟线、弹光取样传感器、平衡检测器等实际上构成了时分辨取样测量系统，通过步进地控制延迟时间，就可以分时地获得弹性波的时域信息，将这些时域信息组合起来，就能获得完整的弹性波时域波形。弹性波的幅度表示空间电荷的密度，弹性波到达弹光传感器的时延代表空间电荷的位置。
测试系统中，弹光传感器由长宽厚为10×5×1mm的电光晶体或电光聚合物材料构成，在其一侧面上蒸镀50μm厚的铝膜作为反射膜。利用70fs，能量2μJ的飞秒激光脉冲激发太赫兹脉冲电磁波。离轴抛物柱面反射器焦距为200mm，光学延迟线的分辨率为1ps。
以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种可实现纳米级分辨率的空间电荷全光学测量方法，其特征在于，测量步骤为在具有电极的试样上加一个陡峭的高压脉冲，介质中的空间电荷受到脉冲电场力的作用会发生一定的位移，这可以在介质中激发出弹性波，该弹性波携带了空间电荷的分布信息，通过对其测量和分析，就可以得到空间电荷在介质中的分布状态。
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Country Status (1)
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2016
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