本發(fā)明涉及壓電系數(shù)測量領(lǐng)域，特別涉及到一種稀土摻雜鐵電材料壓電系數(shù)的測量方法

背景技術(shù)：

稀土摻雜鐵電材料由于不含有毒成分pbo、具有優(yōu)良的鐵電和光學性能而在可調(diào)諧激光器、低強度紅外成像器件、彩色顯示、光學溫度傳感器等方面有重要應用。稀土摻雜鐵電材料具有優(yōu)異的壓電性能使其可以制備各種壓電型器件，如高頻和微波壓電換能器、壓電振蕩器、壓電濾波器、壓電傳感器、壓電聲表面波器件以及非線性器件。壓電效應是指壓電材料在外加壓力的作用下產(chǎn)生束縛電荷，束縛電荷與外加壓力的大小成比例，即正壓電效應；在外加電場的作用下產(chǎn)生機械形變，即逆壓電效應。壓電系數(shù)是反應材料壓電效能。

目前測量壓電材料的壓電系數(shù)的方法有正壓電效應測量法、逆壓電效應測量法、激光干涉儀壓電測試系統(tǒng)、掃描近場微波顯微鏡系統(tǒng)等方法?，F(xiàn)有的測量方法或系統(tǒng)的很難實現(xiàn)納米級微位移的壓電性能的精準測試。mems、nems器件中大量采用納米尺寸的壓電材料，這些壓電材料的尺寸只有數(shù)百納米。納米尺度下測量材料的壓電性能是及其必要和迫切的，因此，提供一種空間分辨率更高的測試方法就很有必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有技術(shù)中存在的空間分辨率低的技術(shù)問題。提供一種新的壓電系數(shù)測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)具有具備測量速度快，測量精度高，并且不受環(huán)境因素的影響的特點。

為解決上述技術(shù)問題，采用的技術(shù)方案如下：

一種壓電系數(shù)測量系統(tǒng)，包括光源101，與光源101連接的光纖耦合器102，與光纖耦合器連接的第一光纖自聚焦透鏡103及光纖延遲線105；與所述第一光纖自聚焦透鏡103依次連接的待測稀土摻雜鐵電材料104、第二光纖自聚焦透鏡106，所述待測稀土摻雜鐵電材料104與電極109電連接；所述第二光纖自聚焦透鏡106及光纖延遲線105連接到第二單模光纖耦合器107，所述單模光纖耦合器107與光譜儀108連接；所述第一光纖自聚焦透鏡103用于將光纖耦合器的輸出光轉(zhuǎn)化為平型光束，第二光纖自聚焦透鏡106用于聚焦待測稀土摻雜鐵電材料104的輸出光；所述電極109用于提供直流電，包括正電極及負電極，所述待測稀土摻雜鐵電材料104兩端分別連接正電極及負電極。

上述技術(shù)方案中，為優(yōu)化，進一步地，所述光源101為寬譜光源。

進一步地，所述第一光纖耦合器102及第二光纖耦合器107耦合比均為1:1。

進一步地，所述第一光纖耦合器102及第二光纖耦合器107均為單模光纖耦合器。

進一步地，所述光纖延遲線105為電動光纖延遲線。

進一步地，所述壓電系數(shù)測量系統(tǒng)用于測量稀土摻雜鐵電材料的壓電系數(shù)。

本發(fā)明還提供一種壓電系數(shù)測量系統(tǒng)的使用方法，包括：

(1)啟動所述測量系統(tǒng)，確定比例系數(shù)k；

(2)測量光源的中心波長和光譜寬度；

(3)移動光纖延遲線105，使得光譜儀108輸出的干涉條紋包括兩個干涉峰，記錄λpeak1及λpeak2，第一峰值波長及第二峰值波長，所述第一峰值波長對應第一峰的光源波長，第二峰值波長對應第二峰的光源波長；

(4)通過電極109施加直流電于稀土摻雜鐵電材料兩端，記錄第三峰值波長及第四峰值波長；所述第三峰值波長對應新的第一峰的光源波長，第四峰值波長對應新的第二峰的光源波長，根據(jù)步驟(3)中第一峰值波長及第二峰值波長，步驟(4)中第三峰值波長及第四峰值波長，計算δλ1及δλ2；

(5)根據(jù)δλ1，δλ/λo＝(λo-λpeak)/λo＝kδx及步驟(1)中的比例系數(shù)k計算出δx，根據(jù)δx及u，計算出待測稀土摻雜鐵電材料的壓電系數(shù)；

其中，δλ＝δλ1，λpeak＝λpeak1，δλ1為第一峰的波長移動量，δλ2為第二峰的波長移動量δλ2，λo為光源中心波長，λpeak1為第一峰值強度，λpeak2為第二峰值強度，u為施加在稀土摻雜鐵電材料兩端的電壓。

進一步地，所述步驟(2)中移動光纖延遲線105，光譜儀108輸出的干涉條紋包括兩個干涉峰強度相等。

進一步第，所述步驟(1)包括：

(a)待測稀土摻雜鐵電材料兩端不施加電壓，移動光纖延遲線105，使得光譜儀108輸出的干涉條紋包括兩個強度相等的干涉峰；

(b)移動光纖延遲線105，記錄步驟(1)中干涉峰的峰值波長的移動量和對應的電動光纖延遲線的位移量，測量n組數(shù)據(jù)；

(c)測量光源的中心波長；

(d)線性擬合步驟(b)獲得的n組數(shù)據(jù)及(c)中光源的中心波長，計算出k；其中，n為≥6的正整數(shù)。

進一步地，所述δλ＝δλ2，λpeak＝λpeak2。

本發(fā)明提出的基于光譜干涉的測量方法，通過光譜儀得到的干涉條紋峰值波長的移動來實現(xiàn)納米級微形變的稀土摻雜壓電材料的壓電系數(shù)的測量。

通過構(gòu)建一個馬赫-曾德光纖干涉儀，通過光譜干涉的方法來測量稀土摻雜鐵電材料的壓電系數(shù)。測量系統(tǒng)中，光源101發(fā)出的光經(jīng)單模光纖耦合器102后分成兩路,一路光經(jīng)過光纖延遲線105,另一路光經(jīng)過自聚焦透鏡103后入射到待測稀土摻雜鐵電材料104中,從該材料輸出的光通過自聚焦透鏡106耦合進光纖中。兩路光在單模光纖耦合器107中形成干涉,該干涉條紋通過光譜儀108接收。稀土摻雜鐵電材料兩端安裝電極109，通過電極往待測稀土摻雜鐵電材料兩端施加直流電壓而產(chǎn)生壓電效應。

本發(fā)明提出的稀土摻雜鐵電材料的壓電系數(shù)的測量原理：稀土摻雜鐵電材料在受到外界電場作用下，材料在平行和垂直電場方向都會發(fā)生形變，這就導致了光干涉儀的一臂的光程發(fā)生了變化，從而導致光譜干涉條紋發(fā)生移動，通過光譜干涉條紋峰值波長的移動量就可以得到稀土摻雜鐵電材料的形變量。當對稀土摻雜鐵電材料施加電壓u時，稀土摻雜鐵電材料中電荷極性隨之產(chǎn)生變化而引起的位移量為δx，則待測稀土摻雜鐵電材料的壓電系數(shù)d可表示為d＝δx/u。

光譜儀得到的光譜強度為表示為：

im(z,δd,ω)＝i(z,ω)+ix(ω)γxy(0,δd,ω)+iy(ω)γxy(0,δd,ω)

+[ix(ω)iy(ω)]^1/2re[γxy(z,δd,ω)+γxy(-z,δd,ω)]

其中，δd為光干涉儀兩臂光程差，γxy(z,δd,ω)為干涉條紋的復相干度。光源光譜密度g(ω)為一光譜半高寬為δω的高斯函數(shù)，則g(ω)表示為：

其中，δω為光譜半高寬，由此光譜儀接收到的光譜干涉條紋為：

其中，δωr為光譜儀響應函數(shù)的半高寬。

當干涉儀兩臂光程差為π的整數(shù)倍時，會出現(xiàn)兩個峰值強度相等的雙峰干涉條紋。在該光程差處，干涉儀輸出的光譜干涉條紋與干涉儀兩臂光程差的變化具有最大的靈敏度，干涉儀兩臂光程差的納米級變化都將導致干涉光譜條紋兩峰值波長的移動。通過光譜儀測量得到峰值波長的移動量，就可以得到待測稀土摻雜鐵電材料的壓電系數(shù)。

圖2，為干涉儀兩臂光程差變化80nm時，干涉儀輸出光譜條紋的變化。峰值波長移動了12nm，而光譜儀的波長分辨率能達到0.1nm。所以，本發(fā)明提出的測試系統(tǒng)完能實現(xiàn)納米級微位移的壓電性能的測試。

任意峰值波長在稀土摻雜鐵電材料發(fā)生壓電效應時產(chǎn)生的位移量為δx，根據(jù)式3可知在干涉儀兩臂光程差變化在微米量級范圍內(nèi)，峰值波長的移動量δλ與光源的中心波長λo的比值和稀土摻雜鐵電材料的壓電效應產(chǎn)生的位移δx成線性關(guān)系，即

δλλo＝(λo-λpeak)/λo＝kδx

其中，k為比例系數(shù)。

因此，通過比例系數(shù)k，峰值波長的移動量δλ和光源的中心波長λo計算出稀土摻雜鐵電材料的壓電位移量δx，從而得到待測稀土摻雜鐵電材料的壓電系數(shù)。相比現(xiàn)有的壓電系數(shù)的測量方法，該方法具備測量速度快，測量精度高，并且不受環(huán)境因素的影響等特點。

本發(fā)明的有益效果，

效果一，提高了測量精度，滿足納米級的壓電系數(shù)測量要求；

效果二，提高了測量靈敏度。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1，壓電系數(shù)測量系統(tǒng)示意圖。

圖2，歸一化光譜強度示意圖。

附圖中，101-光源；102：第一光纖耦合器；103-第一光纖自聚焦透鏡；104-待測稀土摻雜鐵電材料；105-光纖延遲線；106-第二光纖自聚焦透鏡；107-第二光纖耦合器；108-光譜儀；109-電極；1-第一峰；2-第二峰；3-第三峰，4-第四峰。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實施例1

本實施例提供一種壓電系數(shù)測量系統(tǒng)，包括光源101，與光源101連接的光纖耦合器102，與光纖耦合器連接的第一光纖自聚焦透鏡103及光纖延遲線105；與所述第一光纖自聚焦透鏡103依次連接的待測稀土摻雜鐵電材料104、第二光纖自聚焦透鏡106，所述待測稀土摻雜鐵電材料104與電極109電連接；所述第二光纖自聚焦透鏡106及光纖延遲線105連接到第二單模光纖耦合器107，所述單模光纖耦合器107與光譜儀108連接；所述第一光纖自聚焦透鏡103用于將光纖耦合器的輸出光轉(zhuǎn)化為平型光束，第二光纖自聚焦透鏡106用于聚焦待測稀土摻雜鐵電材料104的輸出光；所述電極109用于提供直流電，包括正電極及負電極，所述待測稀土摻雜鐵電材料104兩端分別連接正電極及負電極。

優(yōu)選地，所述光源101為寬譜光源。寬譜光源能夠提供頻率更廣、種類更多的光，豐富測量系統(tǒng)的功能。

優(yōu)選地，第一光纖耦合器102及第二光纖耦合器107耦合比均為1:1。此時，測量系統(tǒng)的

第一光纖耦合器102及第二光纖耦合器107均為單模光纖耦合器。單模光纖耦合器相對多模光纖耦合器制作簡單、成本低。

所述光纖延遲線105為電動光纖延遲線，采用電動光纖延遲線可以自動控制光纖延遲度，能夠簡化測試系統(tǒng)的使用。

本實施例中的壓電系數(shù)測量系統(tǒng)用于測量稀土摻雜鐵電材料的壓電系數(shù)。

本實施例的測量系統(tǒng)的使用方法，包括：

(1)啟動所述測量系統(tǒng)，確定比例系數(shù)k；

(a)待測稀土摻雜鐵電材料兩端不施加電壓，移動光纖延遲線105，使得光譜儀108輸出的干涉條紋包括兩個強度相等的干涉峰；

(b)移動光纖延遲線105，記錄步驟(1)中干涉峰的峰值波長的移動量和對應的電動光纖延遲線的位移量，測量n組數(shù)據(jù)；

(c)測量光源的中心波長；

(d)線性擬合步驟(b)獲得的n組數(shù)據(jù)及(c)中光源的中心波長，計算出k；其中，n為≥6的正整數(shù)。

(2)測量光源的中心波長和光譜寬度；

(3)移動光纖延遲線105，使得光譜儀108輸出的干涉條紋包括兩個干涉峰，記錄λpeak1及λpeak2，第一峰值波長及第二峰值波長，所述第一峰值波長對應第一峰的光源波長，第二峰值波長對應第二峰的光源波長；

(4)通過電極109施加直流電于稀土摻雜鐵電材料兩端，記錄第三峰值波長及第四峰值波長；所述第三峰值波長對應新的第一峰的光源波長，第四峰值波長對應新的第二峰的光源波長，根據(jù)步驟(3)中第一峰值波長及第二峰值波長，步驟(4)中第三峰值波長及第四峰值波長，計算δλ1及δλ2；

(5)根據(jù)δλ1，δλ/λo＝(λo-λpeak)/λo＝kδx及步驟(1)中的比例系數(shù)k計算出δx，根據(jù)δx及u，計算出待測稀土摻雜鐵電材料的壓電系數(shù)；

其中，δλ＝δλ1，λpeak＝λpeak1，δλ1為第一峰的波長移動量，δλ2為第二峰的波長移動量δλ2，λo為光源中心波長，λpeak1為第一峰值強度，λpeak2為第二峰值強度，u為施加在稀土摻雜鐵電材料兩端的電壓。

光干涉儀兩臂光程差的納米級變化都將導致干涉光譜條紋兩峰值波長的移動。通過光譜儀測量得到峰值波長的移動量，就可以得到待測稀土摻雜鐵電材料的壓電系數(shù)，變化規(guī)律如圖2，為干涉儀兩臂光程差變化80nm時，干涉儀輸出光譜條紋的變化。峰值波長移動了12nm，光譜儀的波長分辨率能達到0.1nm。所以，本發(fā)明提出的測試系統(tǒng)完能實現(xiàn)納米級微位移的壓電性能的測試。

實施例2

本實施例在實施例1的基礎(chǔ)上，為提高測量靈敏度，提出另一種改進的測量方法。

具體地，所述步驟(2)中移動光纖延遲線(105)，光譜儀(108)輸出的干涉條紋包括兩個干涉峰強度相等。當干涉儀兩臂光程差為π的整數(shù)倍時，會出現(xiàn)兩個峰值強度相等的雙峰干涉條紋。在該光程差處，干涉儀輸出的光譜干涉條紋與干涉儀兩臂光程差的變化具有最大的靈敏度，干涉儀兩臂光程差的納米級變化都將導致干涉光譜條紋兩峰值波長的移動。通過光譜儀測量得到峰值波長的移動量，就可以得到待測稀土摻雜鐵電材料的壓電系數(shù)。

實施例3

本實施例在實施例1的基礎(chǔ)上，使用第二峰的相關(guān)參數(shù)計算壓電系數(shù)。具體包括：

步驟(5)：根據(jù)δλ2，δλ/λo＝(λo-λpeak)/λo＝kδx及步驟(1)中的比例系數(shù)k計算出δx，根據(jù)δx及u，計算出待測稀土摻雜鐵電材料的壓電系數(shù)d可表示為d＝δx/u。

其中，δλ＝δλ2，λpeak＝λpeak2，δλ1為第一峰的波長移動量，δλ2為第二峰的波長移動量δλ2，λo為光源中心波長，λpeak1為第一峰值強度，λpeak2為第二峰值強度，u為施加在稀土摻雜鐵電材料兩端的電壓。

盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式進行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明，但是本發(fā)明不僅限于具體實施方式的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，只要各種變化只要在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明精神和范圍內(nèi)，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。