专利名称：反射法测量有机聚合物薄膜材料的电光系数的方法及装置的制作方法
反射法测量有机聚合物薄膜材料的电光系数的方法及装置技木领域本发明涉及有机聚合物电光材料的表征技术，特别涉及反射法测量有机聚合物薄 膜材料的电光系数的方法，及该方法所用的测量装置。
背景技术：
有机聚合物电光材料具有优良的加工性、能在不同的基底上旋涂成膜，可以与其 它电子、光电子器件集成。更重要的是有机聚合物材料具有可裁剪性，因此有机聚合物材料 的折射率可以调控，且有机聚合物材料的电光活性可达几百皮米每伏的电光系数，是无机 材料电光活性的100倍之多。成为制作低功率、高带宽电光调制器的最有潜力的材料。在 新材料的研发和高性能电光调制器的制作过程中，如何快速准确的测量极化后有机聚合物 材料的电光系数成为众多科研工作者的研究焦点。最直接的测量方法是在波导结构的电光 器件上直接加调制电压，利用耦合方法将TM或者TE模式的激光耦合到有机聚合物样品薄 膜中，测量出调制电压作用下TM或者TE模式的激光的相位移动，从而计算出有机聚合物样 品材料的电光系数。这种方法的缺点在于必须将电光有机聚合物材料做成波导结构，这就 需要选择适于波导制作工艺和极化的上下包层的有机聚合物材料，再经过十多个步骤才能 完成，有机聚合物样品制备过程非常复杂。使用棱镜耦合仪根据衰减全反射原理测量有机 聚合物材料的电光系数[袁波、曹庄琪、窦晓明。极化聚合物薄膜电光系数的实时测量。光 电工程。Vol. 28，No. 5，2001 :43_47]，虽然简化了波导制作的工艺，但是需要棱镜将激光耦 合进入测量波导，光路调节困难，对薄膜样品质量要求很高，重复性差，成功率不高，不利于 新材料的研发。将有机聚合物材料制作成干涉仪，也可以测量出材料的电光系数[王义平、 陈建平、李新碗、洪建勋、张晓红、周俊鹤、叶爱伦。光纤马赫-曾德尔干涉法测量极化聚合 物的电光系数。光学学报。Vol. 25，No. 10，2005 1339-1342]，但是干涉法测量需要实时控 制激光的偏振态，对干涉臂工作点的调节相当复杂，还要考虑温度、振动等环境因素，无法 实现快速简便的测量。
发明内容
本发明的目的之一是为了克服现有技术的缺陷，解决传统测量有机聚合物薄膜材 料过程中所遇到的困难，提供一种采用了简单的反射光路，配合高性能的电学元件的反射 法测量有机聚合物薄膜材料的电光系数的方法。本发明的目的之二是提供一种实施目的一方法的测量装置。本发明的方法是采用简单可调的反射光路，结合高性能电学元件，实现聚合物薄 膜电光系数的快速测量。本发明克服了直接测量电光系数方法中样品制作复杂、耦合光路 调节困难、不能测量损耗介质、不能测量电光系数分布的缺点，直接测量极化后的样品，光 路调节简单，数据处理快速可靠，多次测量即可得到电光系数的分布。在优化材料的极化条 件、制作高性能聚合物电光调制器过程中，可以起到指导作用。本发明的反射法测量有机聚合物薄膜材料的电光系数的方法包括以下步骤
1)将有机聚合物溶液旋涂在ITO玻璃的导电面，形成有机聚合物薄膜；在有机聚 合物薄膜的表面溅射一层金属导电膜，ITO玻璃的导电面与溅射的金属导电膜分别作为有 机聚合物薄膜的上下电极，在上下电极上分别连接电极引线(可用导电胶粘接)；2)将单色光纤激光器输出的单色激光经准直器准直后，经过起偏器变为线偏光， 并从索累_巴比涅补偿器透射后，以45度角照射到步骤1)的ITO玻璃的非导电面上，使入 射激光依次经ITO玻璃的非导电面、ITO玻璃的导电面及有机聚合物薄膜透射到金属导电 膜上，之后透射激光被金属导电膜反射，再次穿过有机聚合物薄膜、ITO玻璃的导电面后从 ITO玻璃的非导电面射出；3)从步骤2) ITO玻璃的非导电面射出的出射光线垂直进入检偏器，检偏器的透振 方向与起偏器垂直，检偏器出射光线被光电探测器接收；4)步骤3)光电探测器接收的光信号被转变为直流和交流电压的电信号后分成 两路输出，其中一路被输送至安装在计算机内部的数据采集卡，另一路经过直流/交流滤 波器，将交流电压送入至锁相放大器中；将双路低频信号发生器的衰减输出交流电压信号 (1 5V)输入到锁相放大器的参考输入端口，锁相放大器将与参考输入的交流电压信号同 频率的经直流/交流滤波器后输送到锁相放大器中的交流电压放大后输出；5)将步骤4)的双路低频信号发生器的增益输出交流电压信号(20V 250V)分别 通过ITO玻璃的导电面与金属导电膜上的电极引线加在步骤2)的有机聚合物薄膜样品的 两侧电极上；6)记录步骤5)施加在有机聚合物薄膜样品两侧电极上的交流电压信号的有效 值，移动索累-巴比涅补偿器内部楔形晶体的位置，同时用安装在计算机内部的数据采集 卡采集步骤4)由光电探测器输出的具有直流和交流电压一路的直流电压信号，和采集由 锁相放大器输出的交流电压信号；用计算机记录并拟合直流电压和交流电压曲线，根据拟 合函数表达式由计算机自动计算出有机聚合物样品的电光系数；本发明方法中的数据的采集、处理及计算全部由编制的计算机程序自动完成处理。其中由起偏器、索累_巴比涅补偿器、有机聚合物样品、检偏器等组成的光路中， 起偏器使入射到有机聚合物样品中的激光变为线偏振光，双路低频信号发生器增益输出电 压信号加在有机聚合物样品的两侧电极上，使极化后的有机聚合物样品具有单轴晶体的特 征，因此有机聚合物样品出射偏振光的偏振状态相对于入射光偏振状态有所旋转，在经过 检偏器后，偏振状态的旋转表现为透射光强的变化。透射光强I与入射光强Itl的关系为其中Γ为s波和ρ波在有机聚合物样品内的相位差，与二者的传播路径和折射率 有关系。S波和P波是入射线偏振光在有机聚合物样品内激励出的2个偏振模式，s波的偏 振状态与入射平面垂直，折射率为寻常光折射率，P波的偏振态在入射平面内，折射率为非 常光折射率。在图3所示的坐标系中，入射线偏振光在有机聚合物样品内的折射率满足椭 球方程，nx、ny、nz分别为椭球与x、y、ζ坐标轴的交点，ζ轴为光轴方向，s波在xoy平面内， P波在xoz平面内，与ζ轴的夹角为α，s波和ρ波对应的折射率ns和np分别为ns = ny(2)
权利要求
一种反射法测量有机聚合物薄膜材料的电光系数的方法，其特征是，该方法包括以下步骤1)将有机聚合物溶液旋涂在ITO玻璃的导电面，形成有机聚合物薄膜；在有机聚合物薄膜的表面溅射一层金属导电膜，ITO玻璃的导电面与溅射的金属导电膜分别作为有机聚合物薄膜的上下电极，在上下电极上分别连接电极引线；2)将单色光纤激光器输出的单色激光经准直器准直后，经过起偏器变为线偏光，并从索累 巴比涅补偿器透射后，以45度角照射到步骤1)的ITO玻璃的非导电面上，使入射激光依次经ITO玻璃的非导电面、ITO玻璃的导电面及有机聚合物薄膜透射到金属导电膜上，之后透射激光被金属导电膜反射，再次穿过有机聚合物薄膜、ITO玻璃的导电面后从ITO玻璃的非导电面射出；3)从步骤2)ITO玻璃的非导电面射出的出射光线垂直进入检偏器，检偏器的透振方向与起偏器垂直，检偏器出射光线被光电探测器接收；4)步骤3)光电探测器接收的光信号被转变为直流和交流电压的电信号后分成两路输出，其中一路被输送至安装在计算机内部的数据采集卡，另一路经过直流/交流滤波器，将交流电压送入至锁相放大器中；将双路低频信号发生器的衰减输出交流电压信号输入到锁相放大器的参考输入端口，锁相放大器将与参考输入的交流电压信号同频率的经直流/交流滤波器后输送到锁相放大器中的交流电压放大后输出；5)将步骤4)的双路低频信号发生器的增益输出交流电压信号分别通过ITO玻璃的导电面与金属导电膜上的电极引线加在步骤2)的有机聚合物薄膜样品的两侧电极上；6)记录步骤5)施加在有机聚合物薄膜样品两侧电极上的交流电压信号的有效值，移动索累 巴比涅补偿器内部楔形晶体的位置，同时用安装在计算机内部的数据采集卡采集步骤4)由光电探测器输出的具有直流和交流电压一路的直流电压信号，和采集由锁相放大器输出的交流电压信号；用计算机记录并拟合直流电压和交流电压曲线，根据拟合函数表达式由计算机自动计算出有机聚合物样品的电光系数；所述的有机聚合物是具有电光活性的极化有机聚合物材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的金属导电膜的厚度为20 200nm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的金属是具有高导电度的金、银、 铝或铜金属。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的具有电光活性的极化有机聚合物材 料是具有功能发色团的极化聚合物材料。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的双路低频信号发生器的衰减输出交 流电压是1 5V;所述的双路低频信号发生器的增益输出交流电压是20V 250V。
6.一种用于反射法测量有机聚合物薄膜材料的电光系数的测量装置，其中的光学元件 包括单色光纤激光器、准直器、起偏器、索累_巴比涅补偿器、检偏器和光电探测器；电学元 件包括直流/交流滤波器、锁相放大器、双路低频信号发生器和计算机，其特征是在单色光纤激光器的光路前方安装有准直器，在准直器的光路前方安装有起偏器，在 起偏器的光路前方安装有索累_巴比涅补偿器，在索累_巴比涅补偿器的光路前方安装有 ITO玻璃；其中，所述的IT0玻璃的非导电面对着索累-巴比涅补偿器的出射光，并且IT0玻璃的 非导电面与索累-巴比涅补偿器的出射光路成45度角；在IT0玻璃的导电面涂有有机聚合 物薄膜，在有机聚合物薄膜的表面有一层金属导电膜，IT0玻璃的导电面与金属导电膜分别 连接有电极引线；在IT0玻璃的非导电面的出射光的垂直光路上安装有检偏器，在检偏器的光路前方安 装有光电探测器，光电探测器的输出信号出口通过电缆分别与直流/交流滤波器和计算机 内部的数据采集卡的信号入口相连接；所述的直流/交流滤波器的信号出口通过电缆与锁相放大器的电压信号入口相连接， 双路低频信号发生器的衰减输出电压出口通过电缆与锁相放大器的参考输入端口相连，锁 相放大器的信号出口通过电缆与计算机内部的数据采集卡的信号入口相连接；所述的双路低频信号发生器的增益输出电压出口通过导线分别与IT0玻璃的导电面 和金属导电膜的电极引线相连接。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是所述的金属导电膜的厚度为20 200nm。
8.根据权利要求6或7所述的测量装置，其特征是所述的金属是具有高导电度的金、 银、铝或铜金属。
9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征是所述的有机聚合物是具有电光活性的 极化有机聚合物材料。
10.根据权利要求9所述的测量装置，其特征是所述的具有电光活性的极化有机聚合 物材料是具有功能发色团的聚合物材料。
全文摘要
本发明涉及有机聚合物电光材料的表征技术，特别涉及反射法测量有机聚合物薄膜材料的电光系数的方法，及该方法所用的测量装置。本发明装置中的光学元件包括单色光纤激光器、准直器、起偏器、索累-巴比涅补偿器、检偏器和光电探测器；电学元件包括直流/交流滤波器、锁相放大器、双路低频信号发生器和计算机。本发明的方法是采用简单可调的反射光路，结合高性能电学元件，实现聚合物薄膜电光系数的快速测量。本发明克服了直接测量电光系数方法中样品制作复杂、耦合光路调节困难、不能测量损耗介质、不能测量电光系数分布的缺点，直接测量极化后的样品，光路调节简单，数据处理快速可靠，多次测量即可得到电光系数的分布。
文档编号G01J1/42GK101995292SQ20091009141
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月21日 优先权日2009年8月21日
发明者刘新厚, 徐光明, 汪琦, 甄珍 申请人:中国科学院理化技术研究所