专利名称：实时检测铁电晶体畴反转的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及铁电晶体畴，特别是一种实时检测铁电晶体畴反转的装置。
背景技术：
随着周期畴反转的制备技术日益成熟，铁电畴的检测与分析手段也日趋多样和先进。选择性化学刻蚀法观察铁电晶体畴结构，快速、操作相对简单，但具有破坏性。光学显维镜或扫描电子显微镜观察法可以观察到小于O. I μ m的畴结构，但不能实时观察畴反转的过程。光学观察法无接触、无破坏，可以实时观察畴结构的形成过程，但不能定量给出铁电晶体中反转畴结构的深度等重要信息。数字全息干涉测量术利用CCD摄像机等光电探测器代替普通全息记录介质全息图，通过计算机数值计算取代光学衍射再现所记录的物场，可同时获得物场的振幅信息和相位信息，能够对激光诱导畴反转区域进行三维测量。 本发明无接触、无破坏且具有较高分辨率，既可以准实时监测和定量分析畴结构的动态变化，又可以检测畴结构对外电场的静态响应，通过获取反转畴结构的二维和三维信息，有利于定量研究畴反转静、动力学机制。有利于实现实时化测量，具备其他技术所无法比拟的优势。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种实时检测铁电晶体畴反转的装置。该装置可对铁电晶体畴反转的发生、畴反转过程进行实时检测，具有非接触、无损伤、大景深、可获得三维图像及相衬图像的特点，是研究铁电体畴反转动态物理机制的有力工具。本发明的技术解决方案如下一种实时检测铁电晶体畴反转的装置，其特点在于该装置包括氦氖激光器、滤波器、平行光管、第一全反镜、第二全反镜、分光棱镜、成像透镜、C⑶耦合器和计算机，上述元部件的位置关系如下He-Ne激光器输出的633nm光束经过滤波器滤波、平行光管准直后,被分光棱镜分成反射光束和透射光束，该反射光束为探测光束，透射光束为参考光束，探测光束经待测的铁电晶体样品形成物光波，该物光波经过第一全反镜反射后，再经过铁电晶体样品在所述的分光棱镜上与经过第二全反镜反射的参考光束耦合干涉，经成像透镜后在CCD耦合器的探测面上成像为数字全息图，该数字全息图输入所述的计算机，进行数据处理，可获得物光波在加电场前后的相位信息，实现对诱导畴反转动态过程的检测。所述的成像透镜为凸透镜或显微物镜。本发明的技术效果本发明利用数字全息干涉术通过迈克尔逊干涉光路实现对铁电晶体畴反转的发生、畴反转过程的实时检测，通过成像系统对要检测的物体进行放大，记录放大后的菲涅耳数字全息图或像面数字全息图以提高数字全息术的横向分辨能力。
应用数字全息干涉术研究铌酸锂或钽酸锂晶体的畴反转，测量原理建立在180°畴壁两侧畴体的极性相反，电光和压电系数具有幅值相同且方向相反的物理基础上。铌酸锂和钽酸锂晶体180°畴壁两侧畴体分布可以由加电场前后透过晶体的物光波中的相位差值体现。因此如果晶体中出现反转畴结构，相干光垂直地透过晶体表面，在电光效应和压电效应的作用下，透射光相位会发生改变，全息图记录了这个改变后的相位信息，通过计算机数值重建，可以提取该光波场相位信息，而该相位信息直接反映了晶体内部反转畴结构的分布与变化信息。本发明无干扰、无破坏，既可以准实时监测和定量分析畴结构的动态变化，又可以检测畴结构对外电场的静态响应，通过获取反转畴结构的二维和三维信息，有利于定量研究畴反转静、动力学机制。本发明具有非接触、无损伤、大景深的特点，可成为研究铁电体畴反转动态物理机制的有力工具。
本发明主要用于微米和亚微米量级的微观尺度上，精细结构的铁电晶体周期畴反转的实时观测，有利于制作更为精细、复杂的全光微结构器件，从而广泛应用于准相位匹配非线性光学和新型光学器件等诸多重要领域。
图I为本发明实时检测铁电晶体畴反转的装置的结构示意图。图中1_诱导光源；2_滤波器；3_平行光管；4_第一全反镜；5_第二全反镜；6-铁电晶体样品；7_分光棱镜；8_成像透镜；9-电荷耦合器件(CCD) ;10_计算机。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的铁电晶体畴反转实时检测装置作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。请参阅图1，图I为本发明实时检测铁电晶体畴反转的装置的结构示意图，由图可见，本发明实时检测铁电晶体畴反转的装置，该装置包括氦氖激光器I、滤波器2、平行光管3、第一全反镜4、第二全反镜5、分光棱镜7、成像透镜8、(XD耦合器9和计算机10，上述元部件的位置关系如下氦氖激光器I输出的633nm光束经过滤波器2滤波、平行光管3准直后,被分光棱镜7分成反射光束和透射光束，反射光束为探测光束，透射光束为参考光束，探测光束经待测的铁电晶体样品6形成物光波，该物光波经过第一全反镜4反射后，再经过铁电晶体样品6在所述的分光棱镜上与经过第二全反镜5反射的参考光束耦合干涉，经成像透镜8后在CCD耦合器9的探测面上成像为数字全息图，该数字全息图输入所述的计算机10进行数据处理，可获得物光波在加电场前后的相位信息，实现对诱导畴反转动态过程的检测。所述的成像透镜8为凸透镜或显微物镜。本发明利用迈克尔逊干涉光路，探测光沿待测的铁电晶体透射形成物光波，物光波与参考光在CCD表面形成干涉，CCD记录下干涉场的改变，通过监视干涉场来判断诱导畴反转发生的时机。将记录的全息图，通过计算机进行数值再现，可获得物光波在加电场前后的相位信息，实现对诱导畴反转动态过程的检测。
测量原理建立在180°畴壁两侧畴体的极性相反、电光和压电系数具有相同的幅值且方向相反的物理基础上。在外电场的作用下发生部分反转的铌酸锂晶体，反转畴体并没有穿透晶体的Z向厚度，为了简便起见，不考虑反转畴体的实际形状，只是将晶体分为未反转区域和部分反转区域，未反转区域只有未反转畴体，极性是一致的，而部分反转区域包括反转畴体和未反转畴体，极性不一致。在不加外电场的情况下(这里不考虑内电场的影响)，沿Z向传播的探测光经过部分反转区域与未反转区域，位相延迟是一致的，没有位相延迟差；如果沿晶体的Z方向施加一定均勻外电场(该电场远低于畴反转阈值，就不会对原有畴结构造成任何不利影响)，在电光和压电效应的共同作用下，探测光经过未反转区域和部分反转区域都会沿Z方向分别产生相移，但是由于反转畴体和未反转畴体自发极化方向Ps是相反的，因而探测光经过未反转区域和部分反转区域产生的位相延迟是不同的，可以分别表示为Δ外和Δ%，二者产生位相延迟差为Δ炉ο在未发生反转的区域，自发极化方向Ps_v与外电场Eext的方向相反，位相延迟AfV 可以表示为
\— (wO — W TT- U
Λ L2VC33；J ⑴在部分反转的区域，反转畴体的自发极化方向PS_K与外电场Erart的方向相同，因此位相延迟可以表示为两部分
Α(Ρκ =— -;ηΙη/ι Ι + (n:、-T- + - φ-1)- ( O _ nW ~ EaJp- )
Z L/ 上V^-33 J_
— η1 \'β^ + 2( ο _U + 丁；- (η0 - η , EmD
A LV 33 J J LV ^33) _
(2)因此探测光通过部分反转区域与未反转区域产生位相延迟差Δ炉
Αφ = Αφ - ^φν =— ~n}0/u + 2(n0 -nw)| —1 LaitI
A Ik (W」(3)式中Y 13是晶体的电光张量元，e33为晶体的线性压电张量元，C33为晶体的刚度张量元，η。为晶体的寻常光折射率，nw为电解液电极的折射率。利用平面波的角谱理论将记录的离轴全息图通过计算机进行数值再现，利用计算机进行数值处理的方法{请参阅文献(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)，和文献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) }，可获得物光波在加电场前后的相位信息，二者之间的差值即为相位延迟。相位延迟体现出晶体不同的极性，因此用这种方法可 以将畴壁两侧的畴体区分开来，实现对畴反转的检测，定量分析畴反转的结果。
权利要求
1.一种实时检测铁电晶体畴反转的装置，其特征在于该装置包括氦氖激光器(I)、滤波器(2)、平行光管(3)、第一全反镜(4)、第二全反镜(5)、分光棱镜(7)、成像透镜(8)、CXD耦合器(9)和计算机(10)，上述元部件的位置关系如下 氦氖激光器(I)输出的633nm光束经过滤波器(2)滤波、平行光管(3)准直后，被分光棱镜(7)分成反射光束和透射光束，该反射光束为探测光束，透射光束为参考光束，探测光束经待测的铁电晶体样品(6)形成物光波，该物光波经过第一全反镜(4)反射后，再经过铁电晶体样品(6)在所述的分光棱镜上与经过第二全反镜(5)反射的参考光束耦合干涉，经成像透镜(8)后在CXD耦合器(9)的探测面上成像为数字全息图，该数字全息图输入所述的计算机(10)，进行数据处理，以获得物光波在加电场前后的相位信息，实现对诱导畴反转动态过程的检测。
2.根据权利要求I所述的实时检测铁电晶体畴反转的装置，其特征在于所述的成像透镜(8)为凸透镜或显微物镜。
全文摘要
一种实时检测铁电晶体畴反转的装置，该装置包括氦氖激光器、滤波器、平行光管、第一全反镜、第二全反镜、分光棱镜、成像透镜、CCD耦合器和计算机，本发明无接触，无破坏且具有较高分辨率，既可以准实时监测和定量分析畴结构的动态变化，又可以检测畴结构对外电场的静态响应，获取反转畴结构的二维和三维信息。
文档编号G01N21/45GK102866129SQ20121032774
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月6日 优先权日2012年9月6日
发明者侯培培, 职亚楠, 孙建锋, 刘立人 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所