專利名稱：實(shí)時(shí)檢測(cè)鐵電晶體疇反轉(zhuǎn)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵電晶體疇，特別是一種實(shí)時(shí)檢測(cè)鐵電晶體疇反轉(zhuǎn)的裝置。
背景技術(shù)：
隨著周期疇反轉(zhuǎn)的制備技術(shù)日益成熟，鐵電疇的檢測(cè)與分析手段也日趨多樣和先進(jìn)。選擇性化學(xué)刻蝕法觀察鐵電晶體疇結(jié)構(gòu)，快速、操作相對(duì)簡(jiǎn)單，但具有破壞性。光學(xué)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(jié)構(gòu)，但不能實(shí)時(shí)觀察疇反轉(zhuǎn)的過程。光學(xué)觀察法無接觸、無破壞，可以實(shí)時(shí)觀察疇結(jié)構(gòu)的形成過程，但不能定量給出鐵電晶體中反轉(zhuǎn)疇結(jié)構(gòu)的深度等重要信息。數(shù)字全息干涉測(cè)量術(shù)利用CCD攝像機(jī)等光電探測(cè)器代替普通全息記錄介質(zhì)全息圖，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算取代光學(xué)衍射再現(xiàn)所記錄的物場(chǎng)，可同時(shí)獲得物場(chǎng)的振幅信息和相位信息，能夠?qū)す庹T導(dǎo)疇反轉(zhuǎn)區(qū)域進(jìn)行三維測(cè)量。 本發(fā)明無接觸、無破壞且具有較高分辨率，既可以準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和定量分析疇結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，又可以檢測(cè)疇結(jié)構(gòu)對(duì)外電場(chǎng)的靜態(tài)響應(yīng)，通過獲取反轉(zhuǎn)疇結(jié)構(gòu)的二維和三維信息，有利于定量研究疇反轉(zhuǎn)靜、動(dòng)力學(xué)機(jī)制。有利于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化測(cè)量，具備其他技術(shù)所無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種實(shí)時(shí)檢測(cè)鐵電晶體疇反轉(zhuǎn)的裝置。該裝置可對(duì)鐵電晶體疇反轉(zhuǎn)的發(fā)生、疇反轉(zhuǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，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(diǎn)，是研究鐵電體疇反轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)物理機(jī)制的有力工具。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種實(shí)時(shí)檢測(cè)鐵電晶體疇反轉(zhuǎn)的裝置，其特點(diǎn)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(jì)算機(jī)，上述元部件的位置關(guān)系如下He-Ne激光器輸出的633nm光束經(jīng)過濾波器濾波、平行光管準(zhǔn)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(cè)光束，透射光束為參考光束，探測(cè)光束經(jīng)待測(cè)的鐵電晶體樣品形成物光波，該物光波經(jīng)過第一全反鏡反射后，再經(jīng)過鐵電晶體樣品在所述的分光棱鏡上與經(jīng)過第二全反鏡反射的參考光束耦合干涉，經(jīng)成像透鏡后在CCD耦合器的探測(cè)面上成像為數(shù)字全息圖，該數(shù)字全息圖輸入所述的計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可獲得物光波在加電場(chǎng)前后的相位信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)誘導(dǎo)疇反轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)過程的檢測(cè)。所述的成像透鏡為凸透鏡或顯微物鏡。本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明利用數(shù)字全息干涉術(shù)通過邁克爾遜干涉光路實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵電晶體疇反轉(zhuǎn)的發(fā)生、疇反轉(zhuǎn)過程的實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過成像系統(tǒng)對(duì)要檢測(cè)的物體進(jìn)行放大，記錄放大后的菲涅耳數(shù)字全息圖或像面數(shù)字全息圖以提高數(shù)字全息術(shù)的橫向分辨能力。
應(yīng)用數(shù)字全息干涉術(shù)研究鈮酸鋰或鉭酸鋰晶體的疇反轉(zhuǎn)，測(cè)量原理建立在180°疇壁兩側(cè)疇體的極性相反，電光和壓電系數(shù)具有幅值相同且方向相反的物理基礎(chǔ)上。鈮酸鋰和鉭酸鋰晶體180°疇壁兩側(cè)疇體分布可以由加電場(chǎng)前后透過晶體的物光波中的相位差值體現(xiàn)。因此如果晶體中出現(xiàn)反轉(zhuǎn)疇結(jié)構(gòu)，相干光垂直地透過晶體表面，在電光效應(yīng)和壓電效應(yīng)的作用下，透射光相位會(huì)發(fā)生改變，全息圖記錄了這個(gè)改變后的相位信息，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值重建，可以提取該光波場(chǎng)相位信息，而該相位信息直接反映了晶體內(nèi)部反轉(zhuǎn)疇結(jié)構(gòu)的分布與變化信息。本發(fā)明無干擾、無破壞，既可以準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和定量分析疇結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，又可以檢測(cè)疇結(jié)構(gòu)對(duì)外電場(chǎng)的靜態(tài)響應(yīng)，通過獲取反轉(zhuǎn)疇結(jié)構(gòu)的二維和三維信息，有利于定量研究疇反轉(zhuǎn)靜、動(dòng)力學(xué)機(jī)制。本發(fā)明具有非接觸、無損傷、大景深的特點(diǎn)，可成為研究鐵電體疇反轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)物理機(jī)制的有力工具。
本發(fā)明主要用于微米和亞微米量級(jí)的微觀尺度上，精細(xì)結(jié)構(gòu)的鐵電晶體周期疇反轉(zhuǎn)的實(shí)時(shí)觀測(cè)，有利于制作更為精細(xì)、復(fù)雜的全光微結(jié)構(gòu)器件，從而廣泛應(yīng)用于準(zhǔn)相位匹配非線性光學(xué)和新型光學(xué)器件等諸多重要領(lǐng)域。


圖I為本發(fā)明實(shí)時(shí)檢測(cè)鐵電晶體疇反轉(zhuǎn)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1_誘導(dǎo)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(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的鐵電晶體疇反轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。請(qǐng)參閱圖1，圖I為本發(fā)明實(shí)時(shí)檢測(cè)鐵電晶體疇反轉(zhuǎn)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明實(shí)時(shí)檢測(cè)鐵電晶體疇反轉(zhuǎn)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(jì)算機(jī)10，上述元部件的位置關(guān)系如下氦氖激光器I輸出的633nm光束經(jīng)過濾波器2濾波、平行光管3準(zhǔn)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(cè)光束，透射光束為參考光束，探測(cè)光束經(jīng)待測(cè)的鐵電晶體樣品6形成物光波，該物光波經(jīng)過第一全反鏡4反射后，再經(jīng)過鐵電晶體樣品6在所述的分光棱鏡上與經(jīng)過第二全反鏡5反射的參考光束耦合干涉，經(jīng)成像透鏡8后在CCD耦合器9的探測(cè)面上成像為數(shù)字全息圖，該數(shù)字全息圖輸入所述的計(jì)算機(jī)10進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可獲得物光波在加電場(chǎng)前后的相位信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)誘導(dǎo)疇反轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)過程的檢測(cè)。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(cè)光沿待測(cè)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(chǎng)的改變，通過監(jiān)視干涉場(chǎng)來判斷誘導(dǎo)疇反轉(zhuǎn)發(fā)生的時(shí)機(jī)。將記錄的全息圖，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值再現(xiàn)，可獲得物光波在加電場(chǎng)前后的相位信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)誘導(dǎo)疇反轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)過程的檢測(cè)。
測(cè)量原理建立在180°疇壁兩側(cè)疇體的極性相反、電光和壓電系數(shù)具有相同的幅值且方向相反的物理基礎(chǔ)上。在外電場(chǎng)的作用下發(fā)生部分反轉(zhuǎn)的鈮酸鋰晶體，反轉(zhuǎn)疇體并沒有穿透晶體的Z向厚度，為了簡(jiǎn)便起見，不考慮反轉(zhuǎn)疇體的實(shí)際形狀，只是將晶體分為未反轉(zhuǎn)區(qū)域和部分反轉(zhuǎn)區(qū)域，未反轉(zhuǎn)區(qū)域只有未反轉(zhuǎn)疇體，極性是一致的，而部分反轉(zhuǎn)區(qū)域包括反轉(zhuǎn)疇體和未反轉(zhuǎn)疇體，極性不一致。在不加外電場(chǎng)的情況下(這里不考慮內(nèi)電場(chǎng)的影響)，沿Z向傳播的探測(cè)光經(jīng)過部分反轉(zhuǎn)區(qū)域與未反轉(zhuǎn)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(chǎng)(該電場(chǎng)遠(yuǎn)低于疇反轉(zhuǎn)閾值，就不會(huì)對(duì)原有疇結(jié)構(gòu)造成任何不利影響)，在電光和壓電效應(yīng)的共同作用下，探測(cè)光經(jīng)過未反轉(zhuǎn)區(qū)域和部分反轉(zhuǎn)區(qū)域都會(huì)沿Z方向分別產(chǎn)生相移，但是由于反轉(zhuǎn)疇體和未反轉(zhuǎn)疇體自發(fā)極化方向Ps是相反的，因而探測(cè)光經(jīng)過未反轉(zhuǎn)區(qū)域和部分反轉(zhuǎn)區(qū)域產(chǎn)生的位相延遲是不同的，可以分別表示為Δ外和Δ%，二者產(chǎn)生位相延遲差為Δ爐ο在未發(fā)生反轉(zhuǎn)的區(qū)域，自發(fā)極化方向Ps_v與外電場(chǎng)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(zhuǎn)的區(qū)域，反轉(zhuǎn)疇體的自發(fā)極化方向PS_K與外電場(chǎng)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(cè)光通過部分反轉(zhuǎn)區(qū)域與未反轉(zhuǎn)區(qū)域產(chǎn)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(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值再現(xiàn)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值處理的方法{請(qǐng)參閱文獻(xiàn)(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(xiàn)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(chǎng)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(xiàn)出晶體不同的極性，因此用這種方法可 以將疇壁兩側(cè)的疇體區(qū)分開來，實(shí)現(xiàn)對(duì)疇反轉(zhuǎn)的檢測(cè)，定量分析疇反轉(zhuǎn)的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)時(shí)檢測(cè)鐵電晶體疇反轉(zhuǎn)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(jì)算機(jī)(10)，上述元部件的位置關(guān)系如下 氦氖激光器(I)輸出的633nm光束經(jīng)過濾波器(2)濾波、平行光管(3)準(zhǔn)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(cè)光束，透射光束為參考光束，探測(cè)光束經(jīng)待測(cè)的鐵電晶體樣品(6)形成物光波，該物光波經(jīng)過第一全反鏡(4)反射后，再經(jīng)過鐵電晶體樣品(6)在所述的分光棱鏡上與經(jīng)過第二全反鏡(5)反射的參考光束耦合干涉，經(jīng)成像透鏡(8)后在CXD耦合器(9)的探測(cè)面上成像為數(shù)字全息圖，該數(shù)字全息圖輸入所述的計(jì)算機(jī)(10)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以獲得物光波在加電場(chǎng)前后的相位信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)誘導(dǎo)疇反轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)過程的檢測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的實(shí)時(shí)檢測(cè)鐵電晶體疇反轉(zhuǎn)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(shí)時(shí)檢測(cè)鐵電晶體疇反轉(zhuǎn)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(jì)算機(jī)，本發(fā)明無接觸，無破壞且具有較高分辨率，既可以準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和定量分析疇結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，又可以檢測(cè)疇結(jié)構(gòu)對(duì)外電場(chǎng)的靜態(tài)響應(yīng)，獲取反轉(zhuǎn)疇結(jié)構(gòu)的二維和三維信息。
文檔編號(hào)G01N21/45GK102866129SQ20121032774
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所