本發(fā)明屬于電子信息材料測試技術領域，具體涉及一種測量薄膜材料電光系數(shù)的裝置及方法。

背景技術：

電光調(diào)制的物理基礎是電光效應，即某些晶體在外加電場的作用下，其折射率將發(fā)生變化，當光波通過此介質(zhì)時，其傳輸特性就會受到影響而改變，這種現(xiàn)象稱為電光效應，它的表征即為電光系數(shù)。薄膜材料的電光系數(shù)在光電子器件以及無線光通信領域中應用廣泛。為了改進和指導光學材料的制作與生產(chǎn)工藝，如何快速準確地測量薄膜材料的電光系數(shù)成為相關領域的研究難點。

傳統(tǒng)的測量方法主要有：(1)在光電器件上外加調(diào)制電壓，采用耦合的方法將TM或者TE模式的激光耦合到待測樣品薄膜中，測量出在調(diào)制電壓的作用下，激光的相位移動，進而計算出薄膜材料的電光系數(shù)。然而采用該測量方法需將待測樣品材料做成波導結(jié)構(gòu)，制作工藝復雜。(2)采用馬赫-曾德爾干涉法測量，需要實時控制調(diào)節(jié)激光的偏振態(tài)，對干涉臂工作點的調(diào)節(jié)十分復雜。(3)直接測量光強法：要求實現(xiàn)45°PSA調(diào)制電路，實際測量時有一定難度。以上傳統(tǒng)的測量方法大都采用光偏振技術，儀器要求嚴格，樣品測試復雜，無法實現(xiàn)對薄膜電光系數(shù)的快速簡便的測量。因此，亟需一種快捷、簡便、直接且具有高測量精度的薄膜材料電光系數(shù)的測量裝置及測量方法。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術的需求，本發(fā)明的目的在于：提供一種能夠直接快速測量且測量精度高的薄膜材料電光系數(shù)的裝置及測量方法。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下兩個技術方案：

一方面本發(fā)明公開了一種薄膜材料電光系數(shù)的測量裝置，包括：薄膜分析儀，所述薄膜分析儀包括工作臺、光源、Y型光纖、干涉光譜儀以及計算機，Y型光纖的兩個光纖臂分別與光源及干涉光譜儀相連，干涉光譜儀與計算機相連，其特征在于，還包括測試單元，所述測試單元包括待測樣品和與待測樣品電連接的可控電壓源，其中：待測樣品置于工作臺上，Y型光纖的共同端設于待測樣品上方，使得光源發(fā)出的光束通過Y型光纖入射到工作臺上的待測薄膜表面。

本發(fā)明中待測樣品是將待測薄膜沉積在金屬基底上形成均勻薄膜，并在待測薄膜表面設置電極。

本發(fā)明中還包括測試箱，所述測試箱中設置有測試腔體，測試腔體中設置有用于放置待測樣品的樣品臺。

進一步地，本發(fā)明的測試箱上設有進氣口和通光口，所述進氣口和通光口分別與測試腔體連通，進氣口用于通入惰性氣體，通光孔設于Y型光纖的共同端下方，與待測樣品的位置相對應。

本發(fā)明薄膜分析儀還包括波長準直器，所述波長校準器的光束入口端與Y型光纖的共同端相連，其光束出口端位于通光口上方，通光口與波長準直器的光束出口尺寸相一致。

另一方面本發(fā)明公開了一種測量薄膜材料電光系數(shù)的方法，包括以下步驟：

步驟A：將待測薄膜沉積在金屬基底表面形成均勻薄膜，在待測薄膜表面設置電極作為頂電極，得到待測樣品；

步驟B：

將測試箱置于工作臺，測試箱中設置有測試腔體，測試腔體中設置有用于放置待測樣品的樣品臺，測試箱體上設有進氣口和通光口，所述進氣口和通光口分別與測試腔體連通；將Y型光纖的兩個光纖臂分別與光源及干涉光譜儀相連，干涉光譜儀與計算機相連；將Y型光纖的共同端設于通光口上方，通光口與樣品臺的位置相對應，使得光源發(fā)出的光束通過Y型光纖由通光口入射到樣品臺上的待測薄膜表面；

然后將步驟A制得的待測樣品放置于樣品臺上，將頂電極和金屬基底形成的底電極通過引線與可控電壓源連接；通過進氣口向測試腔體中充入惰性氣體；

步驟C：開啟可控電壓源，并通過可控電壓源設定加載于待測樣品兩端的目標電壓，待電壓穩(wěn)定后，開啟薄膜分析儀，使得光源發(fā)出的探測光經(jīng)Y型光纖垂直入射到測試腔體中的待測樣品上，在待測薄膜的上下界面產(chǎn)生的反射光后，經(jīng)Y型光纖的另一光纖臂進入干涉光譜儀；

步驟D：利用計算機實時采集并記錄兩束反射光形成的干涉光譜曲線，并用軟件對記錄的反射光干涉光譜進行分析，從而得到目標電壓下薄膜材料的光學常數(shù)折射率n；

步驟E：調(diào)節(jié)可控電壓源控制加載于待測樣品兩端的目標電壓，待電壓穩(wěn)定后，重復步驟C至D，直到所有所需的電壓值對應的折射率值均測得，結(jié)束測試，停止通入惰性氣體，并關閉薄膜分析儀；將不同目標電壓下對應的薄膜材料折射率保存下來，采用軟件擬合得到薄膜材料折射率隨直流電壓變化的線性圖，其中：橫坐標為待測薄膜兩端的電場強度，縱坐標為待測薄膜材料的折射率n，所述線性圖中斜率即為待測薄膜材料的電光系數(shù)。

本發(fā)明中薄膜分析儀還包括波長準直器，所述波長校準器的光束入口端與Y型光纖的共同端相連，其光束出口端位于通光口上方，通光口與波長準直器的光束出口尺寸相一致。

本發(fā)明中步驟D和步驟E之間還包括：

步驟F：每個目標電壓測試重復多次，并保存結(jié)果，剔除錯誤值后取平均值以作為目標電壓下薄膜材料的折射率n。

本發(fā)明中探測光的波長可調(diào)范圍為200～1700nm。

本發(fā)明中可控電壓源的電壓調(diào)節(jié)范圍為0～400V。

相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明搭建的測量裝置能夠方便快速獲得在不同直流電壓下薄膜材料的折射率，通過數(shù)據(jù)擬合能夠測量得到電光參數(shù)，并且測量精度高，測量成本低廉且易于實現(xiàn)，因此在電光系數(shù)的測量領域中有較好的應用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的F20薄膜分析儀結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的待測樣品的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的測量方法的流程示意圖；

圖中，1是工作臺，2是箱體，3是通光口，4是待測樣品，5是F20薄膜分析儀，6是計算機，7是可控電壓源，8是金屬基底，9是待測薄膜，10是電極，11是波長準直器，12是Y型光纖，13是光源，14是干涉光譜儀。

具體實施方式

以下通過具體實施例并結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明進行詳細說明：

本發(fā)明提供一種薄膜材料電光系數(shù)的測量裝置，如圖1所示，包括薄膜分析儀5和測試單元，其中，測試單元包括待測樣品4和與待測樣品4電連接的可控電壓源7，進一步地，根據(jù)待測薄膜材料的不同，測試單元所需環(huán)境有所差異，為避免薄膜材料發(fā)生化學反應，測試單元還包括置于工作臺1上的測試箱2，所述測試箱2中設置有測試腔體，測試腔體中設置有用于放置待測樣品4的樣品臺；

進一步地，測試箱2上設有進氣口和通光口3，所述進氣口和通光口3分別與測試腔體連通，進氣口用于通入惰性氣體以提供惰性環(huán)境，通光口3與樣品臺的位置相對應；

如圖2所示，所述薄膜分析儀5包括工作臺1、光源13、Y型光纖12、干涉光譜儀14以及計算機6，Y型光纖12的兩個光纖臂分別與光源13及干涉光譜儀14相連，干涉光譜儀14與計算機6相連；

結(jié)合圖1和圖2，Y型光纖12的共同端設于待測樣品4上方，使得光源13發(fā)出的光束通過Y型光纖12入射到工作臺上的待測薄膜9表面；本實施例設置有測試箱2，應調(diào)節(jié)Y型光纖12的共同端于通光口3上方，使得光源13發(fā)出的光束通過Y型光纖12由通光口3入射到樣品臺上的待測薄膜9表面。

如圖3所示，本發(fā)明中待測樣品4是將待測薄膜9沉積在金屬基底8上形成均勻薄膜，并在薄膜表面設置電極10；電極10作為頂電極，金屬基底8作為底電極，通過引線從測試箱2穿過以連接可控電壓源7，通過調(diào)節(jié)可控電壓源7，能夠在待測薄膜材料兩端形成可變電場。

其中：金屬基底8可以選擇導電性強的金、銀、銅、鉑等金屬材料，利用金屬基底8的優(yōu)良導電性可使得可調(diào)電壓源7的電壓充分加載在待測薄膜9的兩端，形成勻強電場。

在實際測試前，將待測樣品4放置在測試腔體的樣品臺上，通過進氣口向測試腔體內(nèi)充入惰性氣體，開啟可調(diào)電壓源7，設定目標電壓值，使得待測薄膜材料兩端形成勻強電場，待電壓穩(wěn)定后，光源發(fā)出的光束經(jīng)Y型光纖9垂直入射到測試腔體中的待測薄膜9上，在待測薄膜9的上下界面產(chǎn)生的反射光，經(jīng)Y型光纖12的另一光纖臂進入干涉光譜儀14，運用計算機6實時采集并記錄待測薄膜9的干涉光強隨入射波長改變的實際吸收光譜曲線，進入軟件測試界面，模擬構(gòu)建測試樣品4的組成，在此應選擇金屬基底8的材料和厚度以及待測薄膜9的材料和厚度，并設定薄膜折射率n和薄膜厚度d的取值范圍；建立薄膜材料折射率的理論模型如下：

其中，n₀是空氣中的折射率，n₁是待測薄膜樣品的折射率，n₂是金屬基底的折射率；

通過隨機模擬改變上述理論模型的相關參數(shù)，使得所建立的模型與實測模型相匹配，則該理論模型中的折射率即為待測薄膜材料的折射率n。

現(xiàn)有的F20薄膜分析儀包括光源3、Y型光纖12、干涉光譜儀14以及計算機6，能夠精確快捷地測量待測薄膜9的折射率n，本方案在F20薄膜分析儀的基礎上增設壓控測試單元，壓控測試單元包括測試箱2和可調(diào)電壓源7，可調(diào)電壓源7與測試箱2中待測樣品4電連接，本發(fā)明能夠在設定電壓值下通過計算機的軟件處理界面直接讀取待測薄膜9在特定波長處的折射率值n，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電壓源7的輸出電壓值，使得待測薄膜9兩端形成可變勻強電場，而后能夠獲得薄膜材料折射率隨直流電壓變化的曲線。

根據(jù)如下公式：

Δn＝αE

其中，Δn為折射率變化量，α為電光系數(shù)，E為勻強電場強度；

將薄膜材料折射率隨直流電壓變化的曲線經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合即可獲得薄膜材料的電光系數(shù)。

光源3可以選擇寬帶光源，如波長范圍從200～1700nm，可以選擇準直性很好的激光光源，也可以選擇其他類型的光源。

如圖4所示，本發(fā)明提供一種測量薄膜材料電光系數(shù)的方法，包括以下步驟：

將待測薄膜9沉積在金屬基底8表面形成均勻薄膜，在待測薄膜9表面設置電極10作為頂電極，得到待測樣品4；

搭建如上所述薄膜材料電光系數(shù)的測量裝置，將待測樣品4放置在樣品臺上，通過進氣口向測試腔體中充入惰性氣體，并開啟光源13預熱；

將待測薄膜9上電極10與金屬基底8分別通過電極引線與可調(diào)電壓源7的正負極相連，開啟可調(diào)電壓源7，設置待測樣品4兩端的目標電壓，待電壓穩(wěn)定后，光源3發(fā)出的光束經(jīng)Y型光纖12入射至測試腔體中待測薄膜9，在待測薄膜9的上下界面產(chǎn)生的反射光，反射光經(jīng)Y型光纖12的另一光纖臂進入干涉光譜儀14；

運用計算機6實時采集并記錄兩束反射光形成的干涉光譜曲線，并用軟件對記錄的反射光干涉光譜進行分析，從而得到薄膜材料的折射率n；

調(diào)整可調(diào)電壓源7輸出的目標電壓，待電壓穩(wěn)定后，順序重復前兩個步驟，直到所有所需的電壓值對應的折射率值均測得并保存數(shù)據(jù)，結(jié)束測試，然后停止通入惰性氣體，關閉薄膜分析儀5；

采用軟件擬合得到薄膜材料折射率隨直流電壓變化的線性圖，其中：橫坐標為待測薄膜兩端的電場強度，縱坐標為待測薄膜材料的折射率n，所述線性圖中斜率即為待測薄膜材料的電光系數(shù)。

實施例：

本實施例的薄膜材料電光系數(shù)的測量裝置中，包括F20薄膜分析儀和壓控測試單元，其中：F20薄膜分析儀包括工作臺1、光源13、Y型光纖12、干涉光譜儀14以及計算機6，Y型光纖12包括兩個光纖臂和共同端，Y型光纖12的兩個光纖臂分別與光源13及干涉光譜儀14相連，干涉光譜儀14與計算機6相連；壓控測試單元包括連接有可調(diào)電壓源7的測試箱2，測試箱2的進氣口位于箱體側(cè)壁上，通光口3位于箱體頂部，樣品臺設置在測試箱體2的底部；

如圖3所示，選擇銅制金屬基底，將待測材料鍍在銅基底上形成厚度約200nm的待測薄膜9，在待測薄膜9表面上方一端加上電極10，使得待測薄膜9的上表面和銅制金屬基底分別形成頂電極和底電極，即制得待測樣品4，待測樣品的制作工藝簡單易行，使用方便。

通光口3位于樣品臺正上方，將待測薄膜9放置于測試箱體2底部的樣品臺上，保證由通光口3入射的光束能夠直接照射到樣品臺上的待測薄膜9上，如此放置，光路暢通，便于校準。采用的非接觸式測量可以在不破壞薄膜樣品表面的情況下，準確測量出薄膜在不同電場情況下光學常數(shù)折射率n的離散譜線。

在通光口3上方設有波長校準器11，所述波長校準器11的光束入口端與Y型光纖12的共同端相連，其光束出口端位于通光3上方，準直后的光束通過通光口3入射到樣品臺上待測薄膜9表面，通光口3與波長校準器11的光束出口尺寸相一致，以確保入射光束和出射光束的正常通過。

在具體使用時，將待測薄膜9放置于測試箱體2底部樣的樣品臺上，將待測薄膜9上電極10與金屬基底8分別通過電極引線與可調(diào)電壓源7的正負極相連；打開進氣閥，向測試箱2中充入氮氣，保持流速150sccm，以維持待測樣品所處環(huán)境的穩(wěn)定性，并開啟光源13預熱；開啟可調(diào)電壓源7，設定目標電壓后，待電壓穩(wěn)定后，光源13產(chǎn)生波長為200～1700nm的寬帶可見光，經(jīng)Y型光纖12垂直入射到待測薄膜9上，由于使用F20薄膜分析儀測量時光纖測試面積區(qū)域僅有Φ400μm，在測試區(qū)域內(nèi)薄膜厚度近似均勻，當寬帶可見光經(jīng)“Y”型光纖12入射至待測薄膜9時，入射光被分成兩部分，一部分在待測薄膜9上表面(薄膜與空氣界面)被部分反射，形成第一反射光，另一部分透過進入待測薄膜9，在待測薄膜9底面產(chǎn)生第二反射光，兩束反射光均經(jīng)Y型光纖12的另一光纖臂進入干涉光譜儀14，此時，兩束反射光因存在光程差而形成干涉；運用計算機實時采集并記錄兩束反射光形成的干涉光譜曲線，用軟件對記錄的反射光干涉光譜進行分析，從而得到薄膜材料的光學常數(shù)折射率n的離散譜線，其中橫坐標為波長。

本實施例所采用的可控電壓源7可調(diào)節(jié)外加電壓在0～400V范圍內(nèi)，以達到向待測薄膜材料內(nèi)部施加電場的作用。為了操作方便，采用手動設定具體電壓參數(shù)的可控電壓源，具有測量精度高，電場控制準確的特點。

本實施例設置可調(diào)電壓源7的電壓值以40V為間隔依次上升，在每個電壓點，可通過薄膜分析儀5記錄薄膜材料在特定波長如1550.0nm處的折射率值n，測試精度為0.1nm。導出薄膜材料外加電壓值和對應的折射率n的數(shù)值對，采用軟件擬合出在不同波長下折射率n隨電場強度E的變化曲線，即可得到薄膜材料的電光系數(shù)，測試曲線的擬合度高達97％～99％。

本實施例基于F20薄膜分析儀測試薄膜材料電光系數(shù)的方法，包括以下步驟：

A、制作待測樣品：選取厚度為2mm的銅制基底，將待測材料鍍在金屬基底上形成約200nm的薄膜，在薄膜表面的一端涂上氧化銦錫電極，形成待測樣品；

B、搭建如上所述薄膜材料電光系數(shù)的測試裝置：包括連接有計算機的F20薄膜分析儀、可控電壓源及測試箱，將待測薄膜放入測試箱中；連接好氣路，將作為保護氣體的惰性氣體(本實施例采用氮氣)通過進氣口充入測試箱中；

C、打開光源，預熱10分鐘使得光源穩(wěn)定，打開連接干射光譜儀的軟件；將電極引線接至可控電壓源，將電壓調(diào)零，穩(wěn)定后進行基準校準，保證測試的準確性；調(diào)節(jié)可控電壓源的電壓到預定值，待電壓穩(wěn)定后，等待3～5分鐘，使得薄膜內(nèi)的電場均勻分布，開始測試；

D、利用計算機實時采集并記錄兩束反射光形成的干涉光譜曲線，通過不斷調(diào)整擬合數(shù)據(jù)，直至計算反射率值和測量反射率值相匹配，即可測得目標電壓下薄膜材料的折射率n，一個電壓點的測試重復10次左右，并保存數(shù)據(jù)，剔除錯誤值后取平均值以作為目標電壓下薄膜材料的折射率n；

E、測試完一個電壓點的薄膜材料的折射率后，調(diào)節(jié)可調(diào)電壓源使得電壓值從小到大依次升高，重復步驟C至D，分別測量得到各電壓值下薄膜材料的折射率；記錄下薄膜材料所有外加電場強度值及其對應折射率的數(shù)據(jù)；關閉電壓源，停止通入氮氣，關閉測試軟件，關閉激光光源；采用軟件擬合出薄膜材料外加電場的所測得折射率變化的線性關系，求解得到薄膜材料的電光系數(shù)。

本發(fā)明提供了一種新型測量薄膜材料電光系數(shù)的方法，同時首次提出了基于薄膜分析儀搭建的測試平臺，并通過數(shù)據(jù)擬合使得擬合率高達97％～99％。

以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行了闡述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內(nèi)。