极化晶体畴结构无损表征的方法、系统及其应用

摘要

本申请公开了一种极化晶体的无损检测方法、系统及其应用，用于极化晶体畴域结构重要指标参数(包括占空比、极化周期等)的无损状态下的表征。该对极化晶体施加一定的电场，不改变极化晶体畴结构的前提下放大极化晶体折射率的变化；通过图像采集、衍射光强采集和数据分析，得到极化晶体畴结构的性能参数。通过对晶体施加一定的电场放大折射率变化量却又不会改变极化晶体畴结构，通过图像采集粗测、衍射光强分布图采集分析，采用严格耦合波分析方法(RCWA)进行优化分析，从而在晶体无损状态下获得极化晶体精确的畴域结构相关性能参数。

说明书

技术领域

本申请涉及到极化晶体畴域结构的无损表征系统及其方法，属于极化晶体的性能检测技术领域。

背景技术

极化晶体广泛应用于倍频、差频、和频、光学参量振荡以及THz波产生等方面，在激光显示、光纤通讯、大气探测以及军事对抗等领域，是光频率转换、光参量转换领域的重要材料。系统地表征极化晶体的性能(包括了极化周期、极化占空比、极化均匀性等)，是极化晶体质量评估的重要内容。通常情况下，检测极化晶体畴域结构的方法是将其浸入溶液体积比为1:1的HNO₃和HF酸混合液中进行10分钟左右的腐蚀，然后直接在偏光显微镜下可以检测到极化周期、极化占空比以及均匀性等参数。但是这样的方法往往会降低晶体表面粗糙度，在一些实际应用中会导致晶体出现较大的散射，从而影响其使用。工业生产中的处理方法是对极化晶体进行抽检，但是往往有劣品没有被检出，导致使用过程中出现较大的误差，为此本专利提供了一套用于极化晶体畴域结构的无损表征系统。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了极化晶体畴结构无损表征的方法，该方法可以在极化晶体无损状态下分析得到极化晶体的畴域结构信息。该方法通过在极化晶体两端施加一定的电场来放大折射率变化量，根据偏光成像和衍射光强分布计算分析得到极化晶体的详细信息，从而实现极化晶体畴域结构的无损检测。

所述方法的特征在于，对极化晶体施加一定的电场，不改变极化晶体畴结构的前提下放大极化晶体折射率的变化；通过图像采集、衍射光强采集和数据分析，得到极化晶体畴结构的性能参数。

本申请的技术方案，通过对晶体施加一定的电场放大折射率变化量却又不会改变极化晶体畴结构，通过图像采集粗测、衍射光强分布图采集分析和优化算法分析，获得极化晶体精确的畴域结构相关性能参数。极化晶体在施加电压的状态下通过偏光显微系统采集到粗略的畴结构图样，再根据衍射光学光强采集图样与严格耦合波分析算法(简写为RCWA算法)分析得到精确的畴结构信息。根据上述方案可以获得极化晶体的无损表征。

优选地，所述极化晶体畴结构在铁电畴方向呈周期性变化或准周期性变化。

优选地，所述极化晶体选自极化铌酸锂晶体(简写为PPLN)、极化掺MgO铌酸锂晶体(简写为PPMgOLN)、极化钽酸锂晶体(简写为PPLT)、极化近化学计量比钽酸锂晶体(简写为PPSLT)、极化掺MgO钽酸锂晶体(简写为PPMgOLT)、极化磷酸氧钛钾晶体(简写为PPKTP)、极化砷酸钛氧铷晶体(简写为PPRTA)、极化铌酸锶钡(Sr_0.6Ba_0.4Nb₂O₆S简写为PPSBN)、极化石英中的一种。

优选地，所述极化晶体厚度为0.5mm～3mm，极化周期≥1μm。

优选地，对极化晶体所施加的电场电压为恒压电压，且该电压小于极化晶体本身的电压阈值。

进一步优选地，极化晶体折射率的变化值和所施加的电场电压成正比；当施加电场的电压为V时，极化晶体折射率的变化值Δn为：

其中，γ₃₃是极化晶体沿晶体z轴方向的光电系数；

n_e是e光折射率；

d是电场方向的晶体厚度。

根据本申请的一个方面，提供了极化晶体畴结构无损表征系统，该系统可以在极化晶体无损状态下分析得到极化晶体的畴域结构信息。该系统能够在极化晶体两端施加一定的电场来放大折射率变化量，根据偏光成像和衍射光强分布计算分析得到极化晶体的详细信息，从而实现极化晶体畴域结构的无损检测。该系统的特征在于，包括电压施加装置、极化晶体夹持装置、显微成像系统、衍射光强采集系统和数据处理系统；

所述极化晶体夹持装置能够放置于所述显微成像系统或衍射光强采集系统的光路中；

所述电压施加装置与所述极化晶体夹持装置电连接，能够对极化晶体两侧施加电压。

优选地，所述显微成像系统中包含偏光部件，由一个可调偏振片和一个固定偏振片组成；所述述极化晶体夹持装置能够放置于可调偏振片和固定偏振片之间。在工作中，可以通过调节可调偏振片最大限度地放大正反畴域之间的折射率成像。本系统所采用的显微成像，包括了折射率补偿物镜、成像光路以及采集CCD，并最终通过软件实时反映在计算机中，在施加电压后，可以通过移动晶体夹持装置的位置来判断晶体表面大致的畴域情况。

进一步优选地，光源光线依次通过所述可调偏振片、所述极化晶体夹持装置和所述固定偏振片。

优选地，所述衍射光强采集系统包括高偏振单频激光器、光电探测器、搭载光电探测器的精密滑台、搭载极化晶体夹持装置的精密滑台，单频激光器的激光垂直入射于极化晶体，产生衍射光强分布图样通过大动态范围的光电探测器和搭载它的精密滑台采集。

根据本申请的有一个方面，提供了上述极化晶体畴结构无损表征系统用于极化晶体畴结构无损表征的方法，包括以下步骤：

a)将极化晶体置于透明的极化晶体夹持装置中，在极化晶体两侧注入透明液体电极并密封；

b)调节显微成像系统，对焦至极化晶体表面，施加恒压电压，通过观察到的晶体表面畴域状况，用图像采集软件粗算极化周期和占空比；

c)在衍射光强采集系统中，激光垂直入射于晶体，调整光电探测器和晶体之间的距离，施加电压后移动光电探测器，测得到光强和位移的关系数据；

b)将测得到光强和位移的关系数据输入数据处理器，输出样品表面的关键尺寸。

优选地，所述步骤a)极化晶体两次用O型圈密封，注入透明液体电极并排除气泡后再对透明液体电极胶封。

优选地，所述透明液体电极为LiCl饱和水溶液。

优选地，所述步骤d)为将测得到光强和位移的关系数据输入数据处理器，采用严格耦合波分析算法测算出极化晶体的周期和占空比等性能参数。

本申请中，所述极化周期是指在晶体上进行畴结构的周期性反转从而实现极化晶体的制作，这里的周期即为极化周期。

本申请中，所述占空比是指极化部分宽度或者无极化部分宽度与极化周期的比值。

本申请的有益结果是，采用该系统和方法可以在极化晶体无损状态下分析得到极化晶体的畴域结构信息。

附图说明

图1是本申请一种具体实施方式的极化晶体畴域结构的无损表征系统结构图；

图2是本申请一种具体实施方式的电压施加装置结构图；

图3是本申请一种具体实施方式的电压施加装置三维立体示意图；

图4是本申请一种具体实施方式的偏光显微成像系统图；

图5是本申请一种具体实施方式的衍射光强采集系统图；

图6是本申请一种具体实施方式的数据采集及数据分析图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

本申请实施例所采用的分析算法为采用严格耦合波分析方法(RCWA)，对周期性极化铌酸锂微结构晶体进行了光衍射过程的模拟计算。对于极化晶体而言，正畴和负畴之间的折射率差很小，衍射现象并不明显，其主要的能量都集中在零级。所以在极化晶体c轴施加合适的电压，提高衍射效果，则能够检测到的衍射级增多，利用衍射电场的模拟计算结合优化分析可望得到准确的测试结果。具体RCWA算法设置如下：虽然极化晶体是各向异性的晶体，但是若光沿晶体光轴入射，晶体的各向异性就不会表现出来，可按各向同性的晶体计算各衍射级的衍射效率。由于晶体两侧有夹持装置和液体电极，最终探测器检测的透射率包含极化晶体各级的衍射效率以及夹持装置和液体电极的透射效率，通过界面反射后再次透射的光相对于初次透射的光强度很弱，可以忽略。本系统通过光电探测器记录激光垂直入射时各衍射级的衍射效率，将采集数据与严格耦合波分析模拟的结果进行优化拟合对极化晶体的周期和占空比进行优化，周期的优化范围由布拉格衍射公式计算，上下波动2um，占空比的优化范围设定为0～1。设定一个初始值t＝0.1,若最优拟合时实验值和模拟值的方差仍大于这个初始值，则认为测试失败。若拟合后的方差小于初始值t，则输出最优拟合时的周期和占空比，作为测试结果。

作为本申请的一个具体实施方式，一种用于极化晶体畴域结构无损表征的系统整体结构图如图1所示。该系统通过在极化晶体两端施加一定的电场来放大折射率变化量，根据偏光成像检测极化晶体性能的大致信息，根据衍射光强分布采集以及算法分析得到极化晶体的详细信息，从而实现极化晶体畴域结构的无损检测。

极化晶体材料以极化周期约为33μm，厚度为0.5mm的3英寸z切的极化铌酸锂晶体PPMgOCLN为例。其步骤如下：

首先将表面进行清洗，去除灰尘颗粒物的极化晶体置于透明的晶体夹持夹持装置(极化晶体夹持装置三维立体示意图如图2所示)中，用O型圈密封，并在极化晶体两侧注入透明液体电极，液体电极的厚度为2mm，极化晶体夹持装置装配图如图3所示。

然后将晶体加持装置放在偏光显微成像系统中，偏光显微成像系统原理如图4所示。其中显微成像的移动轴定义为X轴，样品的横向移动和精密调节分别定义为Y轴和T轴，上下移动定义为Z轴。将极化晶体夹持装置放置在系统的固定卡槽中，移动X轴，对焦至极化晶体表面，施加1000V的电压，通过显微成像和CCD采集可以获得实时图像，移动Y轴和Z轴可以观察到图像上所显示的整个极化晶体区域内的大致状况，采集图像粗测得晶体的大致的极化周期和占空比状态，极化周期约为33.05μm，占空比44％。

再移动Y轴和T轴将晶体夹持装置移至衍射光强采集系统(如图5所示)，打开单频激光器，激光垂直入射于晶体，调整光电探测器和晶体之间的距离，施加电压后开启光电探测器和搭载它的移动滑台，通过光电探测器得到光强-位移的关系图，如图6所示。

最后向计算机处理系统输入材料折射率、周期大致情况、电压大小，读入光强-位移关系图后，采用RCWA算法分析得到极化周期为33.01um，占空比为44％。

说明本申请实施方式测得的极化周期和占空比的精度非常之高。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。