一种稀土掺杂铁电材料压电系数的测量系统的制作方法

本发明涉及压电系数测量领域，特别涉及到一种稀土掺杂铁电材料压电系数的测量系统。

背景技术：

稀土掺杂铁电材料由于不含有毒成分pbo、具有优良的铁电和光学性能而在可调谐激光器、低强度红外成像器件、彩色显示、光学温度传感器等方面有重要应用。稀土掺杂铁电材料具有优异的压电性能使其可以制备各种压电型器件，如高频和微波压电换能器、压电振荡器、压电滤波器、压电传感器、压电声表面波器件以及非线性器件。压电效应是指压电材料在外加压力的作用下产生束缚电荷，束缚电荷与外加压力的大小成比例，即正压电效应；在外加电场的作用下产生机械形变，即逆压电效应。压电系数是反应材料压电效能。

目前测量压电材料的压电系数的方法有正压电效应测量法、逆压电效应测量法、激光干涉仪压电测试系统、扫描近场微波显微镜系统等方法。现有的测量方法或系统的很难实现纳米级微位移的压电性能的精准测试。mems、nems器件中大量采用纳米尺寸的压电材料，这些压电材料的尺寸只有数百纳米。纳米尺度下测量材料的压电性能是及其必要和迫切的，因此，提供一种空间分辨率更高的测试方法就很有必要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的空间分辨率低的技术问题。提供一种新的压电系数测量系统，该测量系统具有具备测量速度快，测量精度高，并且不受环境因素的影响的特点。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种压电系数测量系统，包括光源101，与宽谱光源101连接的第一光纤耦合器102，与第一光纤耦合器连接的第一光纤自聚焦透镜103及电动光纤延迟线105；与所述第一光纤自聚焦透镜103依次连接的待测稀土掺杂铁电材料104、第二光纤自聚焦透镜106，所述待测稀土掺杂铁电材料104与电极109电连接；所述第二光纤自聚焦透镜106及光纤延迟线105连接到第二光纤耦合器107，所述第二光纤耦合器107与光谱仪108连接；所述第一光纤自聚焦透镜103用于将第一光纤耦合器的输出光转化为平型光束，第二光纤自聚焦透镜106用于聚焦待测稀土掺杂铁电材料104的输出光；所述电极109用于提供直流电，包括正电极及负电极，所述待测稀土掺杂铁电材料104两端分别连接正电极及负电极。

上述技术方案中，为优化，进一步地，所述光源101为宽谱光源。

进一步地，所述第一光纤耦合器102及第二光纤耦合器107耦合比均为1:1。

进一步地，所述第一光纤耦合器102及第二光纤耦合器107均为单模光纤耦合器。

进一步地，所述光纤延迟线105为电动光纤延迟线。

进一步地，所述压电系数测量系统用于测量稀土掺杂铁电材料的压电系数。

本发明还提供一种压电系数测量系统的使用方法，包括：

(1)启动所述测量系统，确定比例系数k；

(2)测量光源的中心波长和光谱宽度；

(3)移动光纤延迟线105，使得光谱仪108输出的干涉条纹包括两个干涉峰，记录λpeak1及λpeak2，第一峰值波长及第二峰值波长，所述第一峰值波长对应第一峰的光源波长，第二峰值波长对应第二峰的光源波长；

(4)通过电极109施加直流电于稀土掺杂铁电材料两端，记录第三峰值波长及第四峰值波长；所述第三峰值波长对应新的第一峰的光源波长，第四峰值波长对应新的第二峰的光源波长，根据步骤(3)中第一峰值波长及第二峰值波长，步骤(4)中第三峰值波长及第四峰值波长，计算δλ1及δλ2；

(5)根据δλ1，δλ/λo＝(λo-λpeak)/λo＝kδx及步骤(1)中的比例系数k计算出δx，根据δx及u，计算出待测稀土掺杂铁电材料的压电系数；

其中，δλ＝δλ1，λpeak＝λpeak1，δλ1为第一峰的波长移动量，δλ2为第二峰的波长移动量δλ2，λo为光源中心波长，λpeak1为第一峰值强度，λpeak2为第二峰值强度，u为施加在稀土掺杂铁电材料两端的电压。

进一步地，所述步骤(2)中移动光纤延迟线105，光谱仪108输出的干涉条纹包括两个干涉峰强度相等。

进一步第，所述步骤(1)包括：

(a)待测稀土掺杂铁电材料两端不施加电压，移动光纤延迟线105，使得光谱仪108输出的干涉条纹包括两个强度相等的干涉峰；

(b)移动光纤延迟线105，记录步骤(1)中干涉峰的峰值波长的移动量和对应的电动光纤延迟线的位移量，测量n组数据；

(c)测量光源的中心波长；

(d)线性拟合步骤(b)获得的n组数据及(c)中光源的中心波长，计算出k；其中，n为≥6的正整数。

进一步地，所述δλ＝δλ2，λpeak＝λpeak2。

本发明提出的基于光谱干涉的测量方法，通过光谱仪得到的干涉条纹峰值波长的移动来实现纳米级微形变的稀土掺杂压电材料的压电系数的测量。

通过构建一个马赫-曾德光纤干涉仪，通过光谱干涉的方法来测量稀土掺杂铁电材料的压电系数。测量系统中，光源101发出的光经单模光纤耦合器102后分成两路,一路光经过光纤延迟线105,另一路光经过自聚焦透镜103后入射到待测稀土掺杂铁电材料104中,从该材料输出的光通过自聚焦透镜106耦合进光纤中。两路光在单模光纤耦合器107中形成干涉,该干涉条纹通过光谱仪108接收。稀土掺杂铁电材料两端安装电极109，通过电极往待测稀土掺杂铁电材料两端施加直流电压而产生压电效应。

本发明提出的稀土掺杂铁电材料的压电系数的测量原理：稀土掺杂铁电材料在受到外界电场作用下，材料在平行和垂直电场方向都会发生形变，这就导致了光干涉仪的一臂的光程发生了变化，从而导致光谱干涉条纹发生移动，通过光谱干涉条纹峰值波长的移动量就可以得到稀土掺杂铁电材料的形变量。当对稀土掺杂铁电材料施加电压u时，稀土掺杂铁电材料中电荷极性随之产生变化而引起的位移量为δx，则待测稀土掺杂铁电材料的压电系数d可表示为d＝δx/u。

光谱仪得到的光谱强度为表示为：

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为光干涉仪两臂光程差，γxy(z,δd,ω)为干涉条纹的复相干度。光源光谱密度g(ω)为一光谱半高宽为δω的高斯函数，则g(ω)表示为：

其中，δω为光谱半高宽，由此光谱仪接收到的光谱干涉条纹为：

其中，δωr为光谱仪响应函数的半高宽。

当干涉仪两臂光程差为π的整数倍时，会出现两个峰值强度相等的双峰干涉条纹。在该光程差处，干涉仪输出的光谱干涉条纹与干涉仪两臂光程差的变化具有最大的灵敏度，干涉仪两臂光程差的纳米级变化都将导致干涉光谱条纹两峰值波长的移动。通过光谱仪测量得到峰值波长的移动量，就可以得到待测稀土掺杂铁电材料的压电系数。

图2，为干涉仪两臂光程差变化80nm时，干涉仪输出光谱条纹的变化。峰值波长移动了12nm，而光谱仪的波长分辨率能达到0.1nm。所以，本发明提出的测试系统完能实现纳米级微位移的压电性能的测试。

任意峰值波长在稀土掺杂铁电材料发生压电效应时产生的位移量为δx，根据式3可知在干涉仪两臂光程差变化在微米量级范围内，峰值波长的移动量δλ与光源的中心波长λo的比值和稀土掺杂铁电材料的压电效应产生的位移δx成线性关系，即

δλ/λo＝(λo-λpeak)/λo＝kδx

其中，k为比例系数。

因此，通过比例系数k，峰值波长的移动量δλ和光源的中心波长λo计算出稀土掺杂铁电材料的压电位移量δx，从而得到待测稀土掺杂铁电材料的压电系数。相比现有的压电系数的测量方法，该方法具备测量速度快，测量精度高，并且不受环境因素的影响等特点。

本发明的有益效果，

效果一，提高了测量精度，满足纳米级的压电系数测量要求；

效果二，提高了测量灵敏度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1，压电系数测量系统示意图。

图2，归一化光谱强度示意图。

附图中，101-光源；102：第一光纤耦合器；103-第一光纤自聚焦透镜；104-待测稀土掺杂铁电材料；105-光纤延迟线；106-第二光纤自聚焦透镜；107-第二光纤耦合器；108-光谱仪；109-电极；1-第一峰；2-第二峰；3-第三峰，4-第四峰。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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。

实施例1

本实施例提供一种压电系数测量系统，包括光源101，与光源101连接的光纤耦合器102，与光纤耦合器连接的第一光纤自聚焦透镜103及光纤延迟线105；与所述第一光纤自聚焦透镜103依次连接的待测稀土掺杂铁电材料104、第二光纤自聚焦透镜106，所述待测稀土掺杂铁电材料104与电极109电连接；所述第二光纤自聚焦透镜106及光纤延迟线105连接到第二单模光纤耦合器107，所述单模光纤耦合器107与光谱仪108连接；所述第一光纤自聚焦透镜103用于将光纤耦合器的输出光转化为平型光束，第二光纤自聚焦透镜106用于聚焦待测稀土掺杂铁电材料104的输出光；所述电极109用于提供直流电，包括正电极及负电极，所述待测稀土掺杂铁电材料104两端分别连接正电极及负电极。

优选地，所述光源101为宽谱光源。宽谱光源能够提供频率更广、种类更多的光，丰富测量系统的功能。

优选地，第一光纤耦合器102及第二光纤耦合器107耦合比均为1:1。此时，测量系统的第一光纤耦合器102及第二光纤耦合器107均为单模光纤耦合器。单模光纤耦合器相对多模光纤耦合器制作简单、成本低。

所述光纤延迟线105为电动光纤延迟线，采用电动光纤延迟线可以自动控制光纤延迟度，能够简化测试系统的使用。

本实施例中的压电系数测量系统用于测量稀土掺杂铁电材料的压电系数。

本实施例的基于测量系统的测试方法，包括：

(1)启动所述测量系统，确定比例系数k；

(a)待测稀土掺杂铁电材料两端不施加电压，移动光纤延迟线105，使得光谱仪108输出的干涉条纹包括两个强度相等的干涉峰；

(b)移动光纤延迟线105，记录步骤(1)中干涉峰的峰值波长的移动量和对应的电动光纤延迟线的位移量，测量n组数据；

(c)测量光源的中心波长；

(d)线性拟合步骤(b)获得的n组数据及(c)中光源的中心波长，计算出k；其中，n为≥6的正整数。

(2)测量光源的中心波长和光谱宽度；

(3)移动光纤延迟线105，使得光谱仪108输出的干涉条纹包括两个干涉峰，记录λpeak1及λpeak2，第一峰值波长及第二峰值波长，所述第一峰值波长对应第一峰的光源波长，第二峰值波长对应第二峰的光源波长；

(4)通过电极109施加直流电于稀土掺杂铁电材料两端，记录第三峰值波长及第四峰值波长；所述第三峰值波长对应新的第一峰的光源波长，第四峰值波长对应新的第二峰的光源波长，根据步骤(3)中第一峰值波长及第二峰值波长，步骤(4)中第三峰值波长及第四峰值波长，计算δλ1及δλ2；

(5)根据δλ1，δλ/λo＝(λo-λpeak)/λo＝kδx及步骤(1)中的比例系数k计算出δx，根据δx及u，计算出待测稀土掺杂铁电材料的压电系数；

其中，δλ＝δλ1，λpeak＝λpeak1，δλ1为第一峰的波长移动量，δλ2为第二峰的波长移动量δλ2，λo为光源中心波长，λpeak1为第一峰值强度，λpeak2为第二峰值强度，u为施加在稀土掺杂铁电材料两端的电压。

光干涉仪两臂光程差的纳米级变化都将导致干涉光谱条纹两峰值波长的移动。通过光谱仪测量得到峰值波长的移动量，就可以得到待测稀土掺杂铁电材料的压电系数，变化规律如图2，为干涉仪两臂光程差变化80nm时，干涉仪输出光谱条纹的变化。峰值波长移动了12nm，光谱仪的波长分辨率能达到0.1nm。所以，本发明提出的测试系统完能实现纳米级微位移的压电性能的测试。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，为提高测量灵敏度，提出另一种改进的测量方法。

具体地，所述步骤(2)中移动光纤延迟线(105)，光谱仪(108)输出的干涉条纹包括两个干涉峰强度相等。当干涉仪两臂光程差为π的整数倍时，会出现两个峰值强度相等的双峰干涉条纹。在该光程差处，干涉仪输出的光谱干涉条纹与干涉仪两臂光程差的变化具有最大的灵敏度，干涉仪两臂光程差的纳米级变化都将导致干涉光谱条纹两峰值波长的移动。通过光谱仪测量得到峰值波长的移动量，就可以得到待测稀土掺杂铁电材料的压电系数。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上，使用第二峰的相关参数计算压电系数。具体包括：

步骤(5)：根据δλ2，δλ/λo＝(λo-λpeak)/λo＝kδx及步骤(1)中的比例系数k计算出δx，根据δx及u，计算出待测稀土掺杂铁电材料的压电系数d可表示为d＝δx/u。

其中，δλ＝δλ2，λpeak＝λpeak2，δλ1为第一峰的波长移动量，δλ2为第二峰的波长移动量δλ2，λo为光源中心波长，λpeak1为第一峰值强度，λpeak2为第二峰值强度，u为施加在稀土掺杂铁电材料两端的电压。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。