PMN-PT晶體折射率的精確測量

趙衛(wèi)崗，陳 虹，劉 鑫，邱復(fù)生，黃凌雄，張 戈，魏曉勇，徐 卓

(1.西安交通大學(xué) 電信學(xué)部，電子與科學(xué)工程學(xué)院，電子陶瓷與器件教育部重點實驗室,陜西 西安710049;2.中國科學(xué)院 福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所，福建 福州 350002)

0 引言

Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)晶體因具有高壓電常數(shù)、高介電系數(shù)、高的透過性能及優(yōu)異的電光性能，被認(rèn)為是開發(fā)新一代電光、聲光調(diào)制器的重要晶體材料。目前已有許多關(guān)于PMN-PT晶體折射率測量的報道，研究表明,隨著PT含量的升高，折射率呈現(xiàn)出增加趨勢[1-2]。同時，針對PMN-xPT晶體的電光特性的研究結(jié)果顯示，PMN-PT晶體的電光系數(shù)約700 pm/V，是一種潛在的電聲光材料[3]。色散方程是光學(xué)晶體的重要光學(xué)參數(shù)方程，也是計算晶體電聲光系數(shù)，非線性匹配角等參數(shù)的基礎(chǔ)依據(jù)，對于進(jìn)一步研究晶體的光學(xué)應(yīng)用非常重要。文獻(xiàn)[3]利用最小偏向角測量了PMN-PT晶體的折射率，給出了色散曲線，但是其結(jié)果并未討論折射率測量過程中的誤差及色散曲線擬合過程的誤差。為了進(jìn)一步研究PMN-PT晶體的電聲光學(xué)特性，設(shè)計搭建了更高精度的折射率測量系統(tǒng)，針對未被測量的PMN-PT單疇樣品進(jìn)行測試具有重要的應(yīng)用價值。

采用高溫直流極化的方式，制備了沿<001>方向極化的PMN-0.39PT晶體單疇樣品，測量了樣品極化前、后的光學(xué)性能變化及光學(xué)加工的精度，而后采用激光自準(zhǔn)直的方式驗證了r(Nb)∶r(Li)=48.5∶51.5的CLN在波長分別為594 nm、633 nm、1 150 nm和1 520 nm時的尋常光折射率(no)、非尋常光折射率(ne)及Sellmeier方程，使用該系統(tǒng)測量了<001>極化的PMN-0.39PT晶體的折射率并擬合了Sellmeier方程，給出了Sellmeier方程及相應(yīng)的物理參數(shù)。

1 實驗樣品制備

實驗采用改進(jìn)的布里奇曼法生長PMN-PT晶體，由于組分變化會呈現(xiàn)不同的相結(jié)構(gòu)[4]，使用旋轉(zhuǎn)X線衍射法(RO-XRD)對剛生長出來的晶體進(jìn)行定向[5]后，再使用線切割進(jìn)行尺寸加工，根據(jù)自準(zhǔn)直折射率測量公式，采用文獻(xiàn)[10]的數(shù)據(jù)計算得到合適的棱鏡頂角在23°附近即可滿足測量要求，實驗中按照20°進(jìn)行切割，使用內(nèi)圓切割機沿著提前設(shè)計的切割路徑進(jìn)行切割，切割時注意調(diào)整晶面與切割線的平行。由于PMN-0.39PT的晶體是四方相結(jié)構(gòu)及為4 mm對稱性，因此，加工時將晶體沿自發(fā)極化方向<001>方向切割成直角三棱柱(見圖1)，其棱邊平行于<001>方向。

圖1 PMN-PT晶體棱鏡樣品實物與尺寸示意圖

極化前首先將室溫銀漿涂覆在晶體的極化表面，將樣品置于干燥箱內(nèi)，其次待涂覆的銀漿干燥后，將樣品放入硅油中，以2 ℃/min的速率升溫至120～220 ℃，待溫度穩(wěn)定后緩慢施加電場至0.5～2 kV/mm，保溫15～20 min后，關(guān)閉保溫開關(guān)，晶體保壓降溫至室溫后緩慢撤去電壓，待電壓歸零后將晶體取出，清洗表面附著硅油，完成極化過程[6]。

最后，對樣品的棱面進(jìn)行拋光，拋光時需要提前加工好與待加工棱鏡同頂角的拋光磨具，首先使用粒度為6.5～40 μm的剛玉拋光磨料進(jìn)行拋光，粒度依次從40 μm下降至6.5 μm，最終使用粒徑為?(10～1 000) nm的二氧化硅懸浮拋光液進(jìn)行光學(xué)拋光收尾，整個拋光過程，拋光盤轉(zhuǎn)速保持50～300 r/min，晶體按壓壓力為0.5～30 kPa,完成晶體樣品的光學(xué)加工[7]。

拋光后棱鏡的斜邊AB長為9.1 mm，BC長為3.22 mm，厚為5.19 mm(見圖1)。測量<001>單疇的PMN-0.39PT晶體極化前、后的透過率曲線，證明了極化過程提升了晶體的透過率，極大地改進(jìn)了晶體的光學(xué)均勻性和透明度，滿足光學(xué)測試要求。晶體內(nèi)部疇結(jié)構(gòu)變化通過偏光顯微鏡(Olympus BXS1)判讀，極化前、后拋光樣品的透過率使用紫外到近紅外分光光度計(Jasco V-5700 UV-VIS-IR)測量，拋光后樣品表面起伏使用白光干涉(Zygo Newview900)測量。

四方相的<001>單疇的PMN-0.39PT晶體，其宏觀對稱性為4 mm，屬于單軸晶體，分別測量PMN-0.39棱鏡的no(線偏振光電位移矢量沿著<010>方向)和ne(線偏振光電位移矢量沿<001>方向)，即得到晶體的光率體，通過光率體方程可計算該晶體沿任意方向的折射率數(shù)值。

2 樣品測試

首先偏光顯微鏡在正交偏光情況下，對晶體極化前、后狀態(tài)進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖可知，通過使用高溫極化工藝，晶體內(nèi)部疇結(jié)構(gòu)無序度及伴隨的應(yīng)力分布被規(guī)則化，偏光顯微鏡下呈現(xiàn)出4次消光，且樣品非邊緣區(qū)域消光比較高，可達(dá)到20～30 dB，驗證了單疇化工藝對PMN-0.39PT晶體的有效性。

圖2 晶體極化前后的偏光圖

使用紫外到近紅外的分光光度計(Jasco V-570UV-VIS-IR)測量了晶體(PMN-0.39PT晶體薄片樣品，厚為1 mm)極化前后的透過率曲線，如圖3所示。由圖可知，極化后PMN-PT晶體在短波段透過率得到了極大的改善，在折射率測量的波長范圍(400～2 000 nm)內(nèi)，PMN-0.39PT晶體均保持了較高的透過率(約67%)，這說明極化過程減少了晶體內(nèi)部的應(yīng)力，以及無序疇結(jié)構(gòu)密度，減少了對短波光信號的散射[8]，提升了晶體的光學(xué)透明性和均勻性。因此，極化后PMN-0.39PT晶體可以用于激光自準(zhǔn)直折射率測量系統(tǒng)。

圖3 極化前后的PMN-0.39PT晶體的透過率曲線

使用白光干涉儀測量了拋光后樣品表面的起伏如圖4所示，其中對AC所在棱面采用了面掃描的方式測量了整個面的起伏，最大起伏為0.4 μm，考慮到AC長為8.5 mm，實際起伏角度為0.08″；AB所在棱面采用線掃描的方式測量，結(jié)果顯示表面起伏最大為2 μm，考慮到AB長為9.1 mm，實際起伏角度小于0.8″，滿足測量要求。

圖4 樣品表面起伏

測量時，將待測量晶體樣品制作成直角三棱柱放置于卓立漢光的RAuk200高精度光柵定位電動旋轉(zhuǎn)平臺上，其旋轉(zhuǎn)角度的閉環(huán)分辨率為1.8″，重復(fù)定位精度小于8.7 μrad，實驗激光光源采用REO公司生產(chǎn)的594 nm、633 nm、1 150 nm和1 520 nm 4個波段低熱噪聲氣體激光器，激光功率波動小于3%，且由于是氣體激光器，基模高斯光斑，故可以有效提升光斑中心位置的判定準(zhǔn)確度，光束返回后的位置判定使用以色列Duma Optronics公司生產(chǎn)的BeamOn-U3-VIS-NIR光斑質(zhì)量分析儀測量，其光譜響應(yīng)范圍為350～1 600 nm，探測面元尺寸為11.34 mm×7.13 mm，像素大小為5.86 μm×5.86 μm，分辨率為1 936×1 216，對應(yīng)角分辨率誤差為3 μrad，具備高精度的光斑定位能力。如圖5所示，測量時，激光首先通過格蘭泰勒棱鏡P起偏到豎直或水平方向(對應(yīng)測量晶體的ne或no),然后經(jīng)過一個平面分束鏡(BS)，損失了50%的能量后,再經(jīng)過兩個平行放置的小孔，孔徑約為激光束腰半徑的2倍，照射到被測量晶體表面，光束經(jīng)過晶體表面反射后，依次經(jīng)過2個小孔，返回BS后被反射進(jìn)入光束質(zhì)量分析儀(CCD)。當(dāng)激光光斑的中心位置與CCD上預(yù)先標(biāo)定的自準(zhǔn)直狀態(tài)位置重合時，認(rèn)為此測量系統(tǒng)初始化完成。測量晶體折射率時，首先通過對AC邊所在面和AB邊所在面的兩次自準(zhǔn)直測量得到棱鏡頂角α，而后通過從AB邊所在面(見圖5)入射，當(dāng)從AC邊所在面返回的光線與入射光線重合時為自準(zhǔn)直狀態(tài)，此時測量得到晶體的自準(zhǔn)直角(β) 。

圖5 PMN-PT晶體棱鏡測試光路與自準(zhǔn)直示意圖

當(dāng)入射激光偏振與光軸平行時，所測量的折射率為ne，當(dāng)入射激光偏振與光軸垂直時，所測量的折射率為no。激光以β入射到晶體的AB邊所在面時，光線折成平行于BC的光線，光束在AC邊所在面反射后沿原光路返回，此時晶體折射率為

n=sinβ/sinα

(1)

式中：n為晶體對應(yīng)于入射激光波長的折射率[9]；β為晶體的自準(zhǔn)直角度，也是以自準(zhǔn)直角入射晶體后的折射角。

3 結(jié)果與討論

激光自準(zhǔn)直折射率測量系統(tǒng)的誤差主要來源于激光光束的漂移、晶體光軸定位的準(zhǔn)確度、晶體的光學(xué)加工、光斑位置判定及角度測量的精度，通常情況下準(zhǔn)確度精度可達(dá)0.01%。由于測量系統(tǒng)中所使用的判定儀器和手段不同，測量系統(tǒng)的誤差常由整個系統(tǒng)中的硬件決定，實驗采用低噪聲的氣體激光器，角度誤差為8.7 μrad的高精度電動旋轉(zhuǎn)臺，角度誤差為3.0 μrad的光束質(zhì)量分析儀。因此測量系統(tǒng)的誤差為

(2)

式中：Δn為折射率的誤差；Δα，Δβ分別為頂角和自準(zhǔn)直角的測量誤差，即自準(zhǔn)直測量系統(tǒng)的角度測量誤差；|?n/?α|，|?n/?β|分別為折射率數(shù)值對頂角和自準(zhǔn)直角度的偏導(dǎo)數(shù)。

α、不同偏振態(tài)下的自準(zhǔn)直角度(βno,βne)及對應(yīng)的折射率(no,ne)的測量結(jié)果如表1所示。利用式(2)可得鈮酸鋰(LN)晶體在不同波段下的no的系統(tǒng)誤差為7.5×10-5，ne的系統(tǒng)誤差為7.4×10-5，但是實際測量過程中，隨機誤差也會影響測量結(jié)果，因此，可通過多次獨立重復(fù)實驗的標(biāo)準(zhǔn)偏差來消除。對LN晶體的折射率(no和ne)進(jìn)行10次重復(fù)測量，通過計算獨立重復(fù)測量的誤差，得到了各個波長對應(yīng)的隨機誤差為1×10-4～4×10-4。最終，將系統(tǒng)誤差和隨機誤差統(tǒng)一為測量誤差，誤差為1×10-4～4×10-4，滿足折射率測量要求。利用測量數(shù)據(jù)，擬合了LN晶體的Sellmeier方程：

(3)

(4)

式中λ為波長。根據(jù)式(3)、(4)繪制了共熔鈮酸鋰(CLN)晶體的折射率曲線如圖6所示。

表1 PMN-PT晶體的折射率測量結(jié)果

由圖6可知，共熔CLN(no>ne)屬于負(fù)單軸晶體，其折射率數(shù)據(jù)(不論是no曲線還是ne曲線)均處于CLN、富Li元素的LN晶體和富Nb元素的LN晶體的折射率曲線范圍內(nèi)?？紤]到測量時環(huán)境溫度對測量結(jié)果的小范圍影響，可以認(rèn)為測量結(jié)果在預(yù)期范圍之內(nèi)，且折射率測量結(jié)果在633 nm處，這與CLN文獻(xiàn)報道一致[10]。

測量了<001>單疇的PMN-0.39PT晶體折射率，結(jié)果如表1所示。經(jīng)過測量，PMN-0.39PT晶體棱鏡樣品的α=19.997°，通過測量樣品的βno,βne，計算得到折射率，測量結(jié)果如圖7所示，PMN-0.39單疇晶體(no>ne)屬于負(fù)單軸晶體，與其他的PMN-PT晶體一致。

圖7 PMN-0.39PT晶體的Sellmeier曲線

使用最小二乘法擬合得到PMN-0.39PT晶體的Sellmeier方程為

(5)

(6)

綜上所述，使用激光自準(zhǔn)直方法測量了四方<001>極化的PMN-0.39PT晶體折射率及相關(guān)參數(shù)，與現(xiàn)有文獻(xiàn)報道的PMN-xPT晶體一致，從側(cè)面驗證了折射率測量結(jié)果的合理性。

4 結(jié)束語

通過高溫極化工藝，制備了<001>單疇的PMN-039PT晶體，通過偏光顯微鏡、可見光及近紅外分光光度計和白光干涉儀研究了晶體極化前后透過率以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果顯示，高溫極化工藝顯著提升了晶體內(nèi)部的均一性，實現(xiàn)了單疇化，同時提升了晶體在可見光及近紅外波段的透過率。

通過使用經(jīng)過LN晶體樣品驗證過的激光自準(zhǔn)直折射率測量系統(tǒng)，在室溫下測量了<001>單疇的PMN-0.39PT晶體在594 nm，633 nm，1 150 nm，1 520 nm波長下的雙折射系數(shù)，利用最小二乘法擬合了室溫下的色散方程，得到了高精度的PMN-0.39PT晶體的Sellmeier光學(xué)系數(shù)，為后續(xù)光學(xué)器件研制打下了良好基礎(chǔ)。