專利名稱：實時檢測鐵電晶體疇反轉的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及鐵電晶體疇，特別是一種實時檢測鐵電晶體疇反轉的裝置。
背景技術：
隨著周期疇反轉的制備技術日益成熟，鐵電疇的檢測與分析手段也日趨多樣和先進。選擇性化學刻蝕法觀察鐵電晶體疇結構，快速、操作相對簡單，但具有破壞性。光學顯維鏡或掃描電子顯微鏡觀察法可以觀察到小于O. I μ m的疇結構，但不能實時觀察疇反轉的過程。光學觀察法無接觸、無破壞，可以實時觀察疇結構的形成過程，但不能定量給出鐵電晶體中反轉疇結構的深度等重要信息。數字全息干涉測量術利用CCD攝像機等光電探測器代替普通全息記錄介質全息圖，通過計算機數值計算取代光學衍射再現所記錄的物場，可同時獲得物場的振幅信息和相位信息，能夠對激光誘導疇反轉區(qū)域進行三維測量。 本發(fā)明無接觸、無破壞且具有較高分辨率，既可以準實時監(jiān)測和定量分析疇結構的動態(tài)變化，又可以檢測疇結構對外電場的靜態(tài)響應，通過獲取反轉疇結構的二維和三維信息，有利于定量研究疇反轉靜、動力學機制。有利于實現實時化測量，具備其他技術所無法比擬的優(yōu)勢。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服上述現有技術不足，提供一種實時檢測鐵電晶體疇反轉的裝置。該裝置可對鐵電晶體疇反轉的發(fā)生、疇反轉過程進行實時檢測，具有非接觸、無損傷、大景深、可獲得三維圖像及相襯圖像的特點，是研究鐵電體疇反轉動態(tài)物理機制的有力工具。本發(fā)明的技術解決方案如下一種實時檢測鐵電晶體疇反轉的裝置，其特點在于該裝置包括氦氖激光器、濾波器、平行光管、第一全反鏡、第二全反鏡、分光棱鏡、成像透鏡、C⑶耦合器和計算機，上述元部件的位置關系如下He-Ne激光器輸出的633nm光束經過濾波器濾波、平行光管準直后,被分光棱鏡分成反射光束和透射光束，該反射光束為探測光束，透射光束為參考光束，探測光束經待測的鐵電晶體樣品形成物光波，該物光波經過第一全反鏡反射后，再經過鐵電晶體樣品在所述的分光棱鏡上與經過第二全反鏡反射的參考光束耦合干涉，經成像透鏡后在CCD耦合器的探測面上成像為數字全息圖，該數字全息圖輸入所述的計算機，進行數據處理，可獲得物光波在加電場前后的相位信息，實現對誘導疇反轉動態(tài)過程的檢測。所述的成像透鏡為凸透鏡或顯微物鏡。本發(fā)明的技術效果本發(fā)明利用數字全息干涉術通過邁克爾遜干涉光路實現對鐵電晶體疇反轉的發(fā)生、疇反轉過程的實時檢測，通過成像系統(tǒng)對要檢測的物體進行放大，記錄放大后的菲涅耳數字全息圖或像面數字全息圖以提高數字全息術的橫向分辨能力。
應用數字全息干涉術研究鈮酸鋰或鉭酸鋰晶體的疇反轉，測量原理建立在180°疇壁兩側疇體的極性相反，電光和壓電系數具有幅值相同且方向相反的物理基礎上。鈮酸鋰和鉭酸鋰晶體180°疇壁兩側疇體分布可以由加電場前后透過晶體的物光波中的相位差值體現。因此如果晶體中出現反轉疇結構，相干光垂直地透過晶體表面，在電光效應和壓電效應的作用下，透射光相位會發(fā)生改變，全息圖記錄了這個改變后的相位信息，通過計算機數值重建，可以提取該光波場相位信息，而該相位信息直接反映了晶體內部反轉疇結構的分布與變化信息。本發(fā)明無干擾、無破壞，既可以準實時監(jiān)測和定量分析疇結構的動態(tài)變化，又可以檢測疇結構對外電場的靜態(tài)響應，通過獲取反轉疇結構的二維和三維信息，有利于定量研究疇反轉靜、動力學機制。本發(fā)明具有非接觸、無損傷、大景深的特點，可成為研究鐵電體疇反轉動態(tài)物理機制的有力工具。
本發(fā)明主要用于微米和亞微米量級的微觀尺度上，精細結構的鐵電晶體周期疇反轉的實時觀測，有利于制作更為精細、復雜的全光微結構器件，從而廣泛應用于準相位匹配非線性光學和新型光學器件等諸多重要領域。
圖I為本發(fā)明實時檢測鐵電晶體疇反轉的裝置的結構示意圖。圖中1_誘導光源；2_濾波器；3_平行光管；4_第一全反鏡；5_第二全反鏡；6-鐵電晶體樣品；7_分光棱鏡；8_成像透鏡；9-電荷耦合器件(CCD) ;10_計算機。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的鐵電晶體疇反轉實時檢測裝置作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。請參閱圖1，圖I為本發(fā)明實時檢測鐵電晶體疇反轉的裝置的結構示意圖，由圖可見，本發(fā)明實時檢測鐵電晶體疇反轉的裝置，該裝置包括氦氖激光器I、濾波器2、平行光管3、第一全反鏡4、第二全反鏡5、分光棱鏡7、成像透鏡8、(XD耦合器9和計算機10，上述元部件的位置關系如下氦氖激光器I輸出的633nm光束經過濾波器2濾波、平行光管3準直后,被分光棱鏡7分成反射光束和透射光束，反射光束為探測光束，透射光束為參考光束，探測光束經待測的鐵電晶體樣品6形成物光波，該物光波經過第一全反鏡4反射后，再經過鐵電晶體樣品6在所述的分光棱鏡上與經過第二全反鏡5反射的參考光束耦合干涉，經成像透鏡8后在CCD耦合器9的探測面上成像為數字全息圖，該數字全息圖輸入所述的計算機10進行數據處理，可獲得物光波在加電場前后的相位信息，實現對誘導疇反轉動態(tài)過程的檢測。所述的成像透鏡8為凸透鏡或顯微物鏡。本發(fā)明利用邁克爾遜干涉光路，探測光沿待測的鐵電晶體透射形成物光波，物光波與參考光在CCD表面形成干涉，CCD記錄下干涉場的改變，通過監(jiān)視干涉場來判斷誘導疇反轉發(fā)生的時機。將記錄的全息圖，通過計算機進行數值再現，可獲得物光波在加電場前后的相位信息，實現對誘導疇反轉動態(tài)過程的檢測。
測量原理建立在180°疇壁兩側疇體的極性相反、電光和壓電系數具有相同的幅值且方向相反的物理基礎上。在外電場的作用下發(fā)生部分反轉的鈮酸鋰晶體，反轉疇體并沒有穿透晶體的Z向厚度，為了簡便起見，不考慮反轉疇體的實際形狀，只是將晶體分為未反轉區(qū)域和部分反轉區(qū)域，未反轉區(qū)域只有未反轉疇體，極性是一致的，而部分反轉區(qū)域包括反轉疇體和未反轉疇體，極性不一致。在不加外電場的情況下(這里不考慮內電場的影響)，沿Z向傳播的探測光經過部分反轉區(qū)域與未反轉區(qū)域，位相延遲是一致的，沒有位相延遲差；如果沿晶體的Z方向施加一定均勻外電場(該電場遠低于疇反轉閾值，就不會對原有疇結構造成任何不利影響)，在電光和壓電效應的共同作用下，探測光經過未反轉區(qū)域和部分反轉區(qū)域都會沿Z方向分別產生相移，但是由于反轉疇體和未反轉疇體自發(fā)極化方向Ps是相反的，因而探測光經過未反轉區(qū)域和部分反轉區(qū)域產生的位相延遲是不同的，可以分別表示為Δ外和Δ%，二者產生位相延遲差為Δ爐ο在未發(fā)生反轉的區(qū)域，自發(fā)極化方向Ps_v與外電場Eext的方向相反，位相延遲AfV 可以表示為
\— (wO — W TT- U
Λ L2VC33；J ⑴在部分反轉的區(qū)域，反轉疇體的自發(fā)極化方向PS_K與外電場Erart的方向相同，因此位相延遲可以表示為兩部分
Α(Ρκ =— -;ηΙη/ι Ι + (n:、-T- + - φ-1)- ( O _ nW ~ EaJp- )
Z L/ 上V^-33 J_
— η1 \'β^ + 2( ο _U + ??；- (η0 - η , EmD
A LV 33 J J LV ^33) _
(2)因此探測光通過部分反轉區(qū)域與未反轉區(qū)域產生位相延遲差Δ爐
Αφ = Αφ - ^φν =— ~n}0/u + 2(n0 -nw)| —1 LaitI
A Ik (W」(3)式中Y 13是晶體的電光張量元，e33為晶體的線性壓電張量元，C33為晶體的剛度張量元，η。為晶體的尋常光折射率，nw為電解液電極的折射率。利用平面波的角譜理論將記錄的離軸全息圖通過計算機進行數值再現，利用計算機進行數值處理的方法{請參閱文獻(I) Ya’nan Zhi, Weijuan Qu, Dej an Liu etal. ,Ridge-shape phase distribution adjacent to 1800 domain wall in congruentLiNbO3 crystal，Appl.Phys. Lett·，89，112912 (2006)，和文獻⑵ Ya，nan Zhi，De，anLiu，Jianfeng Sun et al., Phase mapping of domain kinetics in lithium niobate bydigital holographic interferometry, J. Appl.Phys.，105，024106 (2009) }，可獲得物光波在加電場前后的相位信息，二者之間的差值即為相位延遲。相位延遲體現出晶體不同的極性，因此用這種方法可 以將疇壁兩側的疇體區(qū)分開來，實現對疇反轉的檢測，定量分析疇反轉的結果。
權利要求
1.一種實時檢測鐵電晶體疇反轉的裝置，其特征在于該裝置包括氦氖激光器(I)、濾波器(2)、平行光管(3)、第一全反鏡(4)、第二全反鏡(5)、分光棱鏡(7)、成像透鏡(8)、CXD耦合器(9)和計算機(10)，上述元部件的位置關系如下 氦氖激光器(I)輸出的633nm光束經過濾波器(2)濾波、平行光管(3)準直后，被分光棱鏡(7)分成反射光束和透射光束，該反射光束為探測光束，透射光束為參考光束，探測光束經待測的鐵電晶體樣品(6)形成物光波，該物光波經過第一全反鏡(4)反射后，再經過鐵電晶體樣品(6)在所述的分光棱鏡上與經過第二全反鏡(5)反射的參考光束耦合干涉，經成像透鏡(8)后在CXD耦合器(9)的探測面上成像為數字全息圖，該數字全息圖輸入所述的計算機(10)，進行數據處理，以獲得物光波在加電場前后的相位信息，實現對誘導疇反轉動態(tài)過程的檢測。
2.根據權利要求I所述的實時檢測鐵電晶體疇反轉的裝置，其特征在于所述的成像透鏡(8)為凸透鏡或顯微物鏡。
全文摘要
一種實時檢測鐵電晶體疇反轉的裝置，該裝置包括氦氖激光器、濾波器、平行光管、第一全反鏡、第二全反鏡、分光棱鏡、成像透鏡、CCD耦合器和計算機，本發(fā)明無接觸，無破壞且具有較高分辨率，既可以準實時監(jiān)測和定量分析疇結構的動態(tài)變化，又可以檢測疇結構對外電場的靜態(tài)響應，獲取反轉疇結構的二維和三維信息。
文檔編號G01N21/45GK102866129SQ20121032774
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月6日 優(yōu)先權日2012年9月6日
發(fā)明者侯培培, 職亞楠, 孫建鋒, 劉立人 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所