CN114440785A - 基于光干涉原理的材料光致形变系数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光干涉原理的材料光致形变系数测量装置和方法。包括：干涉光源：用于发射干涉光；激发光源：用于发射诱导材料变形的激发光；半反半透镜：设置在干涉光源的出射光路上；平面镜：设置在半反半透镜的透射光路上。干涉光源发射光经过半反半透镜、待检测材料后，可在观测屏上形成干涉条纹。通过比较待检测材料变形前和变形后的干涉图像，计算材料的光致形变系数。该装置成本低、携带方便，操作便捷，该方法可精确快速测量光致形变系数。

Description

基于光干涉原理的材料光致形变系数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种基于光干涉原理的材料光致形变系数测量装置及方法。

背景技术

光致形变效应是材料光电性能的一种体现。以钙钛矿材料为例，其是一种具有优良光电性能的材料，具有较强的光致形变效应。光致形变效应是指在特定的光照条件下材料发生的(伸缩、弯曲等)非热变化。而微小的光致形变效应在许多具有高灵敏度要求的器件上有很好的应用前景，并且对材料本身的光电特性有重要影响。在研发光致形变材料的过程中，对材料光致形变系数的精确测量是至关重要的工作。目前研究人员通常使用原子力显微镜(AFM)和拉曼光谱仪来测量、表征材料的光致形变。

AFM是通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，二者之间的作用力将使得微悬臂发生形变。通过传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而获得材料的形变量。但AFM针尖自身存在的光致形变、热膨胀和缓慢的热弛缓等会在测量中引起较明显的误差。

拉曼光谱仪是通过对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到晶格振动信息，根据拉曼频移的变化分析晶格结构的变化。但拉曼光谱仪对材料光致形变的测量只能停留在定性的研究，相关系数的计算公式未被完善。此外，该类测量方案所使用的测量仪器成本较高，操作复杂繁琐，不能广泛应用于快速、便携、准确的实验研究中。

发明内容

本发明的目的在于解决上述技术问题之一，提出采用光干涉原理计算材料光致形变系数的方法和系统。

为解决以上问题，本发明提供如下技术方案：

一种基于光干涉原理的材料光致形变系数测量装置，包括：

干涉光源和激发光源；

半反半透镜：设置在干涉光源的出射光路上；

平面镜：设置在半反半透镜的对干涉光源的透射光路上；

待检测材料：设置在半反半透镜的对干涉光源的反射光路上，待检测材料的反光面朝向半反半透镜；待检测材料同时位于激发光源的出射光路上，激发光源的发射光可照射在待检测材料与反光面相邻的侧面；

观测屏：设置在待检测材料的相对端，位于半反半透镜干涉光源反射光路的相对一侧；

干涉光源发射光经半反半透镜反射光定义为光线一、干涉光源经半反半透镜的透射光定义为光线二、激发光源发射光定义为光线三；激发光源未照射待检测材料的干涉状态定义为状态一，激发光源照射材料一段时间后的干涉状态定义为状态二；

观测屏的位置被配置为，可接收光线一与光线二形成的干涉光图像；

所述测量装置进一步包括：

图像采集单元：用于采集状态一和状态二下的干涉光图像；

计算处理单元：根据状态一和状态二的干涉图像计算材料光致形变系数。

本发明一些实施例中，所述计算处理单元被配置为按如下方法计算光致形变系数：

对状态一下采集图像，选定一n+1级或n-1级明条纹，选定一中心处n级明条纹，测量选定的n+1级或n-1级明条纹与中心处n级明条纹之间的距离r，对状态二下采集图像，测量观测图像的位移Δr；

计算干涉圆环吞吐量N：

计算待测材料伸缩量ΔL：

其中，λ为干涉光源发射光的波长；

计算待测材料的光致形变系数：

其中，L为材料沿垂直于激发光源发射光方向的初始长度，I为激发光源发射光的辐射功率密度。

本发明一些实施例中，所述干涉光源和所述半反半透镜之间顺次设置有：第一凸透镜、小孔光阑和第二凸透镜。

本发明一些实施例中，进一步包括固定件，所述待检测材料安装在固定件的边缘。

本发明一些实施例中，所述固定件连接运动驱动结构，可向靠近或远离观测屏的方向运动。

本发明一些实施例中，所述激发光源为待测材料带隙基准以上的激发光源。

本发明一些实施例中，进一步提供一种基于光干涉原理的材料光致形变系数测量方法，采用前述的测量装置，包括以下步骤：

开启干涉光源，调整试验光路，使观测屏在状态一下显示干涉图像，采集图像；

开启激发光源，调整试验光路，激发光源照射在待测材料侧面，使观测屏在状态二下显示干涉图像，采集图像；

对状态一下采集图像，选定一n+1级或n-1级明条纹，选定一中心处n级明条纹，测量选定的n+1级或n-1级明条纹与中心处n级明条纹之间的距离r，对状态二下采集图像，测量观测图像的位移Δr；

计算干涉圆环吞吐量N：

计算待测材料伸缩量ΔL：

其中，λ为干涉光源发射光的波长；

计算待测材料的光致形变系数：

其中，L为材料沿垂直于激发光源发射光方向的初始长度，I为激发光源发射光的辐射功率密度。

本发明一些实施例中，进一步包括验证步骤；分别采用带隙基准以上的激发光源和带隙基准以下的激发光源照射待测试材料，并进行光致形变系数计算，比较计算结果。

本发明一些实施例中，若待测试材料反光性能差，对待测试材料的一面进行处理，使其可反光。

本发明提供的方法和系统有益效果在于：

1、提出一种新的测量光致形变系数的方法和装置，该装置成本低、携带方便，可精确快速测量光致形变系数。

2、为一种智能化测量装置。光致形变量为纳米数量级的材料，因其光致形变产生的干涉圆环吞吐数目难以用肉眼定量观察的问题，因此用人工目测的方法局限性大、精确度不高。本发明提供的测量装置使用摄像头对干涉圆环进行图像和影像采集，然后由计算机程序进行圆环移动距离的测量和计数，计算速度快，计算准确度更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为材料光致形变系数测量装置结构示意图；

图2为材料光致形变系数测量方法流程图；

1-干涉光源；

2-激发光源；

3-半反半透镜；

4-平面镜；

5-待检测材料；

6-观测屏；

7-第一凸透镜；

8-小孔光阑；

9-第二凸透镜；

1001-光线一，1002-光线二，1003-光线三；

11-固定件。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“设置在”，“连接”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，不用于暗指相对重要性。

本发明第一实施例提供一种基于光干涉原理的材料光致形变系数测量装置，用于测量经光照引发的材料变形，计算材料形变系数。

形变系数测量装置包括：干涉光源1、激发光源2、半反半透镜3、平面镜4、待检测材料5和观测屏6。

干涉光源1：用于发射干涉用光，与半反半透镜3、平面镜4、待检测材料5、观测屏6配合，构造干涉图样。

本发明使用的干涉光源为632nm的红色激光。考虑到在实际的实验过程中所选用材料的尺寸较小，若光束光斑较大，则可能照射到测试样品周围其他物品上，导致不能准确展示测试样品光致形变所带来的干涉圆环变化。为了排除这种因素对测量结果的影响，必须要使激光能全部照射到材料上，因此，采用光斑较小的半导体激光器作为干涉光源。

本发明一些实施例中，为进一步更好的解决这一问题，干涉光源和所述半反半透镜之间设置有导轨，导轨上顺次设置有：第一凸透镜7、小孔光阑8和第二凸透镜9。这可以使激光光束在出射时的束腰更小，可精准地照射在待测样品上的特定位置，然后基于前述原理产生非定域干涉条纹。

激发光源2：用于发射激发光，当激发光持续照射在待检测材料上，待检测材料将发生变形。

要想使材料产生光致形变效应，就需要带隙基准以上(above-bandgap)激光照射材料，因此，激发光源2为待测材料带隙基准以上的激发光源。本装置中激发光源可以发出不同波长的激光，调节合适的光斑大小使激光最大程度照射到待测材料侧面，从而得到最优的辐照效果和光致形变量。

半反半透镜3：设置在干涉光源的出射光路上；干涉光源的发射光经半反半透镜3后，一部分被半反半透镜3反射，一部分透过半反半透镜3。

平面镜4：设置在半反半透镜3的透射光路上；平面镜4具有反射作用，透过半反半透镜3的光进一步被反射回半反半透镜3。

待检测材料5：设置在半反半透镜的对干涉光源的反射光路上，待检测材料的反光面朝向半反半透镜；待检测材料同时位于激发光源的出射光路上，激发光源的发射光可照射在待检测材料与反光面相邻的侧面。为方便测量计算，待检测材料5可采用长方体，也可以做成具有一定厚度的片状材料。

为解决待检测材料5安装的问题，本发明一些实施例中，进一步包括固定件11，所述待检测材料5安装在固定件11的边缘。本发明中，固定件11采用的为玻璃板。将待测基片约1/5长夹持在玻璃板内部，然后固定在拖板导轨上与原机械传动系统相连，如此可通过调节材料与光屏的距离来调节干涉圆环的大小。

观测屏6：设置在待检测材料的相对端，位于半反半透镜3干涉光源反射光路的相对一侧，即，观测屏6和待检测材料5分别设置在半反半透镜3的两侧。

在光路调整阶段，非定域干涉条纹需要通过观察屏才能反映出来。由于单面反光的待测材料规格较小，且干涉光束的光斑较小，故其产生的干涉条纹太小，且圆环吞吐不明显，这不利于图像的采集与处理。因此本发明观测屏6可采用可移动的投影幕布，随着投影幕布与系统的距离越远，其上观察到的干涉条纹愈大，可得到更加清晰的干涉图样。

此外，为更好的实现干涉效果，本发明一些实施例中，也可以将固定件11连接运动驱动结构，可向靠近或远离观测屏6的方向运动。

干涉光源发射光经半反半透镜反射光定义为光线一1001、干涉光源经半反半透镜的透射光定义为光线二1002、激发光源发射光定义为光线三1003；激发光源2未照射待检测材料5的干涉状态定义为状态一，激发光源2照射材料5一段时间后的干涉状态定义为状态二。

观测屏的位置被配置为，可接收光线一与光线二形成的干涉光图像。

光路如下：光线一1001照射至待检测材料5的反光面，被待检测材料5垂直反射后，穿过半反半透镜3至观测屏6；光线二1002被平面镜4垂直反射后，被半反半透镜3反射至观测屏6。在观测屏6上，光线一和光线二发生干涉。

测量装置进一步包括：

图像采集单元：用于采集状态一和状态二下的干涉光图像，可采用照相机；

计算处理单元：根据状态一和状态二的干涉图像计算材料光致形变系数。

本发明一些实施例中，所述计算处理单元被配置为按如下方法计算光致形变系数：

对状态一下采集图像，选定一n+1级或n-1级明条纹，选定一中心处n级明条纹，测量选定的n+1级或n-1级明条纹与中心处n级明条纹之间的距离r，对状态二下采集图像，测量观测图像的位移Δr；

计算干涉圆环吞吐量N：

计算待测材料伸缩量ΔL：

其中，λ为干涉光源发射光的波长；

计算待测材料的光致形变系数：

其中，L为材料沿垂直于激发光源发射光方向的初始长度(以附图1所示的方向为例，为竖直方向)，I为激发光源发射光的辐射功率密度。

本发明第二实施例，进一步提供一种基于光干涉原理的材料光致形变系数测量方法，采用实施例一公开的测量装置。

测量方法包括以下步骤。

在进行正式的测量之前，先进行准备工作。若待测试材料5反光性能差，对待测试材料5的一面进行处理，使其可反光。用玻璃板固定件11夹持好待测材料5。

S1：开启干涉光源1，调整试验光路，使观测屏在状态一下显示干涉图像，采集图像；具体的，打开红光半导体激光器，调整实验光路，调整固定件11的位置、投影幕布的位置，使投影幕布上能够接收到清晰地干涉条纹。随后连接并调整摄像头，使其能够实时采集清晰的干涉图像。

S2：开启激发光源2，调整试验光路，激发光源照射在待测材料侧面；具体的，调整激发光源2的位置，使更多的光可照射在待测材料5的侧面；打开激发光源2(记录此刻的时间)后，待检测材料5发生形变，可观察到由于形变带来的条纹迅速改变；一般情况下，绿色激光照射1-2分钟后条纹趋于稳定。此时观测屏在状态二下显示干涉图像。

S3：进行系数计算。

材料发生光致伸缩现象，光线一1001的光程发生变化，即光线一1001和光线二1002的光程差发生变化，继而使观测屏6上的干涉圆环发生吞吐现象。本发明将材料光致形变系数的测定转化为测量材料光致形变后引起的干涉圆环变化数目，只要获得圆环变化数目即可得到材料的光致形变系数。

系数计算的具体步骤如下。

对状态一下采集图像，选定一n+1级或n-1级明条纹，选定一中心处n级明条纹，测量选定的n+1级或n-1级明条纹与中心处n级明条纹之间的距离r，对状态二下采集图像，测量观测图像的位移Δr；

计算干涉圆环吞吐量N：

当圆环发生吞吐时，n+1(n-1)级明条纹与n级明条纹的内径或外径之差为圆环吞(吐)一个时的移动距离r，而n+1(n-1)级明条纹的移动距离假设为Δr，则圆环吞吐数目可表示为：

计算待测材料伸缩量ΔL：

依据等倾干涉原理，材料的光致绝对伸缩量ΔL与在干涉屏上某一固定点观察到的条纹吞吐(移动)数目N之间的关系为：

其中，λ为干涉光源发射光的波长；

计算待测材料的光致形变系数：

其中，L为材料沿垂直于激发光源发射光方向的初始长度(以附图1所示的方向为例，为竖直方向)，I为激发光源发射光的辐射功率密度，这两个参数均为已知物理量。

本发明一些实施例中，进一步包括验证步骤；分别采用带隙基准以上的激发光源和带隙基准以下的激发光源照射待测试材料，并进行光致形变系数计算，比较计算结果。

本发明一些实施例中，若待测试材料反光性能差，对待测试材料的一面进行处理，使其可反光。

材料的光致形变是可达纳米尺度的微小形变，因此任何外界因素引起的微小振动和形变都可能对结果造成影响，产生误差，所以测量光致形变对环境的要求较高，需要排除外界干扰因素。更进一步的，为降低测量环境对测量结果的影响，实验装置全部放置于光学防震台上，同时将周围环境布置为暗场，减少外界因素带来的干扰。在进行正式实验时，调节所有实验激光使其精准地照射在待测材料上，避免其他物品经光诱导发生其他形变效应影响实验结果。

本发明以传统的迈克尔逊干涉仪作为基础仪器，基于光干涉原理提出了新的光致形变系数测量方法，设计搭建了一套光致形变系数的测量系统。该系统将材料光致形变系数的测量转化为干涉条纹数目变化的测量，为光致形变系数的精确、快速测量提供了一种新的方案。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光干涉原理的材料光致形变系数测量装置，其特征在于，包括：

干涉光源和激发光源；

半反半透镜：设置在干涉光源的出射光路上；

平面镜：设置在半反半透镜的对干涉光源的透射光路上；

待检测材料：设置在半反半透镜的对干涉光源的反射光路上，待检测材料的反光面朝向半反半透镜；待检测材料同时位于激发光源的出射光路上，激发光源的发射光可照射在待检测材料与反光面相邻的侧面；

观测屏：设置在待检测材料的相对端，位于半反半透镜干涉光源反射光路的相对一侧；

干涉光源发射光经半反半透镜反射光定义为光线一、干涉光源经半反半透镜的透射光定义为光线二、激发光源发射光定义为光线三；激发光源未照射待检测材料的干涉状态定义为状态一，激发光源照射材料一段时间后的干涉状态定义为状态二；

观测屏的位置被配置为，可接收光线一与光线二形成的干涉光图像；

所述测量装置进一步包括：

图像采集单元：用于采集状态一和状态二下的干涉光图像；

计算处理单元：根据状态一和状态二的干涉图像计算材料光致形变系数。

2.如权利要求1所述的基于光干涉原理的材料光致形变系数测量装置，其特征在于，所述计算处理单元被配置为按如下方法计算光致形变系数：

对状态一下采集图像，选定一n+1级或n-1级明条纹，选定一中心处n级明条纹，测量选定的n+1级或n-1级明条纹与中心处n级明条纹之间的距离r，对状态二下采集图像，测量观测图像的位移Δr；

计算干涉圆环吞吐量N：

计算待测材料伸缩量ΔL：

其中，λ为干涉光源发射光的波长；

计算待测材料的光致形变系数：

其中，L为材料沿垂直于激发光源发射光方向的初始长度，I为激发光源发射光的辐射功率密度。

3.如权利要求1所述的基于光干涉原理的材料光致形变系数测量装置，其特征在于，所述干涉光源和所述半反半透镜之间顺次设置有：第一凸透镜、小孔光阑和第二凸透镜。

4.如权利要求1所述的基于光干涉原理的材料光致形变系数测量装置，其特征在于，进一步包括固定件，所述待检测材料安装在固定件的边缘。

5.如权利要求4所述的基于光干涉原理的材料光致形变系数测量装置，其特征在于，所述固定件连接运动驱动结构，可向靠近或远离观测屏的方向运动。

6.如权利要求1所述的基于光干涉原理的材料光致形变系数测量装置，其特征在于，所述激发光源为待测材料带隙基准以上的激发光源。

7.一种基于光干涉原理的材料光致形变系数测量方法，采用权利要求1至6中任意一项所述的测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

开启干涉光源，调整试验光路，使观测屏在状态一下显示干涉图像，采集图像；

开启激发光源，调整试验光路，激发光源照射在待测材料侧面，使观测屏在状态二下显示干涉图像，采集图像；

对状态一下采集图像，选定一n+1级或n-1级明条纹，选定一中心处n级明条纹，测量选定的n+1级或n-1级明条纹与中心处n级明条纹之间的距离r，对状态二下采集图像，测量观测图像的位移Δr；

计算干涉圆环吞吐量N：

计算待测材料伸缩量ΔL：

其中，λ为干涉光源发射光的波长；

计算待测材料的光致形变系数：

其中，L为材料沿垂直于激发光源发射光方向的初始长度，I为激发光源发射光的辐射功率密度。

8.如权利要求7所述的基于光干涉原理的材料光致形变系数测量方法，其特征在于，进一步包括验证步骤；分别采用带隙基准以上的激发光源和带隙基准以下的激发光源照射待测试材料，并进行光致形变系数计算，比较计算结果。

9.如权利要求7所述的基于光干涉原理的材料光致形变系数测量方法，其特征在于，若待测试材料反光性能差，对待测试材料的一面进行处理，使其可反光。

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