電控光散射材料與器件時(shí)域響應(yīng)特性測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電控光散射材料與器件時(shí)域響應(yīng)特性測(cè)試方法，具體涉及一種電 控光散射材料與器件在外加電場(chǎng)作用下時(shí)域響應(yīng)特性的測(cè)試系統(tǒng)及方法，屬電光材料與器 件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光器及激光技術(shù)在光學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用日益重要。目前大功率單一激光器的 功率已超越兆瓦級(jí)，光網(wǎng)絡(luò)通信容量即將實(shí)現(xiàn)Tb/s量級(jí)。大功率激光器與高速大容量的光 網(wǎng)絡(luò)要求系統(tǒng)中各部分器件的響應(yīng)時(shí)間盡量縮短，以增強(qiáng)系統(tǒng)的彈性管理能力，這就要求 器件的響應(yīng)速度更快、集成度更高。電光器件也向著低成本、高集成，特別是響應(yīng)速度必須 向著更高、更快的趨勢(shì)發(fā)展。在開發(fā)新型電光材料與器件時(shí)，必須對(duì)材料與器件自身的時(shí)域 響應(yīng)特性進(jìn)行科學(xué)而系統(tǒng)的測(cè)試表征，以評(píng)估其特性是否能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。
[0003] 能對(duì)光信號(hào)的相位、幅度等物理參量進(jìn)行電學(xué)調(diào)控的材料都屬于電光材料研究范 疇，其一是電控雙折射效應(yīng)研究：對(duì)具有電控雙折射效應(yīng)的材料施加電場(chǎng)時(shí)，外電場(chǎng)使材 料的光率體發(fā)生變化，從而改變材料的折射率。電控雙折射效應(yīng)的電光陶瓷和電光單晶 等，是目前研究和應(yīng)用較多的電光材料，利用這類材料已開發(fā)出了電光調(diào)制器、電光開關(guān)、 光衰減器、光隔離器等器件。然而這類基于電控雙折射效應(yīng)的電光器件在實(shí)際應(yīng)用中，只能 用于偏振光光源，即器件是偏振相關(guān)的，這在一定程度上增加了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和成 本，極大地的限制了其應(yīng)用范圍。其二是電控光散射效應(yīng)研究：對(duì)具有電控光散射效應(yīng)的材 料施加電場(chǎng)時(shí)，外電場(chǎng)作用下材料內(nèi)部形成折射率不連續(xù)的大量局域排列有序疇壁，使入 射光通過(guò)時(shí)產(chǎn)生折射、反射而成散射的出射光，使在入射光傳播方向上的光強(qiáng)被大幅度散 射衰減。利用材料的電控光散射效應(yīng)同樣可以開發(fā)出電光調(diào)制器、電光開關(guān)、光衰減器、光 隔離器等器件，這種類型的器件主要是對(duì)入射光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)控的，因此它的最大特點(diǎn)是對(duì)入 射光偏振態(tài)沒有要求，器件行為與偏振無(wú)關(guān)。偏振無(wú)關(guān)型電光器件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中光源、光 線沒有任何限制。在實(shí)際應(yīng)用中，與雙折射效應(yīng)的電光材料相比，具有散射效應(yīng)的電光材料 具備無(wú)需對(duì)光軸、對(duì)光源無(wú)任何限制，且器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可極大簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)的光路 設(shè)計(jì)、降低系統(tǒng)成本。因此，快速發(fā)展激光技術(shù)迫切需要開發(fā)偏振無(wú)關(guān)的電光器件，并對(duì)材 料與器件的時(shí)域響應(yīng)特性進(jìn)行科學(xué)與系統(tǒng)的測(cè)試表征。
[0004] 已公開的文獻(xiàn)中，針對(duì)具有電控光散射效應(yīng)材料的制備、外加電場(chǎng)下散射光強(qiáng)變 化隨電場(chǎng)強(qiáng)度的變化特性等，如中國(guó)發(fā)明專利《斕摻雜錯(cuò)欽酸鉛電控光散射透明陶瓷及其 制備方法》（CN 103449813A)，公開了斕摻雜鋯鈦酸鉛（PLZT)電控光散射透明陶瓷材料的 成分、通氧一一熱壓燒結(jié)工藝燒結(jié)過(guò)程氧氣流量、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、壓強(qiáng)等工藝技術(shù)參 數(shù)，并給出了所制備材料的光學(xué)透過(guò)率和光衰減度等特性參數(shù)。但沒有給出材料的電控響 應(yīng)時(shí)間等特性參數(shù)，更沒有涉及時(shí)域特性的測(cè)試表征方法內(nèi)容；發(fā)明專利《電光系數(shù)測(cè)量裝 置》（CN102621110A)所公開的，是利用光纖、準(zhǔn)直器構(gòu)成的光路，加上偏振片和上下表面的 鍍金電極的待測(cè)電光材料樣品的測(cè)試方案。其目的是為了測(cè)量出立方晶體電光材料的電 光系數(shù)，但也只能測(cè)試電控雙折射效應(yīng)材料的電光系數(shù)，不能對(duì)電控光散射效應(yīng)的材料與 器件進(jìn)行測(cè)試，也沒能沒有涉及時(shí)域特性的測(cè)試表征；發(fā)明專利《鐵電薄膜電光系數(shù)測(cè)試方 法》（CN1117134)所公開的，是由起偏器、1/4波片、磁光調(diào)制器、檢偏振器等構(gòu)成的光路，由 光電倍增管、鎖相放大器和示波器等電學(xué)儀器將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)。其基本原理是 利用鐵電薄膜在電場(chǎng)的作用下對(duì)光信號(hào)相位的調(diào)制作用進(jìn)行測(cè)量，該測(cè)試方案與技術(shù)也只 能測(cè)試電控雙折射效應(yīng)材料的電光系數(shù)，不能對(duì)電控光散射效應(yīng)的材料與器件進(jìn)行測(cè)試， 也沒能沒有涉及時(shí)域特性的測(cè)試表征；發(fā)明專利《同時(shí)測(cè)量Pockels和Kerr電光系數(shù)的方 法》(CN102032946A)所公開的，是由入射光加反射光、棱鏡、偏振片、探測(cè)器等關(guān)鍵部件構(gòu)成 光路，采用棱鏡耦合激發(fā)表面等離子波，使入射光能量耦合到表面等離子波模式和導(dǎo)波模 式中，通過(guò)反射光強(qiáng)的變化量求出Pockels系數(shù)和Kerr系數(shù)。其中外加電場(chǎng)引起的折射率 變化正比于電場(chǎng)強(qiáng)度稱為Pockels效應(yīng)即線性電光效應(yīng)，外加電場(chǎng)引起的折射率變化正 比于電場(chǎng)強(qiáng)度的平方則稱為Kerr效應(yīng)即二階非線性電光效應(yīng)。所以這種測(cè)試方案與技術(shù) 同樣是測(cè)試電控雙折射效應(yīng)材料的電光系數(shù)，不能對(duì)電控光散射效應(yīng)的材料與器件進(jìn)行測(cè) 試，也沒能沒有涉及時(shí)域特性的測(cè)試表征；發(fā)明專利《反射法測(cè)量有機(jī)聚合物薄膜材料的電 光系數(shù)的方法及裝置》(CN101995292A)所公開的測(cè)試方法由光學(xué)元件和電學(xué)元件兩部分構(gòu) 成，包括單色光纖激光器、準(zhǔn)直器、起偏器、索累一巴比涅補(bǔ)償器、檢偏器、光電探測(cè)器、直流 交流濾波器、鎖相放大器、雙路低頻信號(hào)發(fā)生器等，適用有機(jī)聚合物薄膜材料電光系數(shù)的測(cè) 定，本質(zhì)上仍是測(cè)試電控雙折射效應(yīng)材料的電光系數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)【背景技術(shù)】提出的問題，提供一種電控光散射材料與器件時(shí)域 響應(yīng)特性測(cè)試方法，是針對(duì)電控光散射陶瓷材料與器件的電光特性和時(shí)域響應(yīng)特性的表征 要求，提供一種簡(jiǎn)潔可靠且高精度的測(cè)試方法。所述方法的理論依據(jù)是：光電探測(cè)器輸出的 電壓與照射到探測(cè)面上的光強(qiáng)度成正比，因此光電探測(cè)器輸出電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系直接 反映了光強(qiáng)隨時(shí)間的變化關(guān)系，結(jié)合測(cè)試時(shí)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中光電探測(cè)器、示波器及傳輸網(wǎng)絡(luò) 各部分響應(yīng)時(shí)間的誤差校正，得出在某一外加電壓下，電控光散射材料或器件的散光光強(qiáng) 變化與時(shí)間的時(shí)域響應(yīng)特性，也可根據(jù)計(jì)算得出樣品響應(yīng)時(shí)間與電場(chǎng)強(qiáng)度間的關(guān)系。
[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種電控光散射材料與器件時(shí)域響應(yīng)特性測(cè)試方法，包括：測(cè)試樣品制備、光路調(diào) 節(jié)、脈沖電源驅(qū)動(dòng)、獲取并存儲(chǔ)"電壓一時(shí)間"關(guān)系曲線以及，分別計(jì)算得出散光光強(qiáng)變化與 時(shí)間的時(shí)域響應(yīng)特性、散光時(shí)域響應(yīng)特性與外加電場(chǎng)之間的關(guān)系；所述特性測(cè)試方法選用 的儀器設(shè)備包括：平行光單色激光器（1)、可調(diào)超快脈沖驅(qū)動(dòng)電源（2)、樣品支架（3)、可變 光闌（4)、光電探測(cè)器（5)、數(shù)字存儲(chǔ)示波器（6)，還包括：擋板（7)和聚光凸透鏡（8);其特 征在于：所述時(shí)域響應(yīng)特性測(cè)試方法具體按如下步驟：
[0008] ⑴將待測(cè)的電控光散射材料制備成一定厚度的方形薄片，再在薄片的兩面制備透 明導(dǎo)電薄膜，并將金屬導(dǎo)線從所述透明導(dǎo)電薄膜上引出，制成帶導(dǎo)電電極的電控光散射材 料待測(cè)試樣品；
[0009] ⑵將平行單色激光器（1)輸出的單色激光經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后，生成具有一定直徑的 平行光束，再將依次布置的平行光單色激光器（1)、樣品支架（3)、可變光闌（4)、光電探測(cè) 器（5)的中心調(diào)節(jié)為一水平直線，構(gòu)成測(cè)試光路；所述可變光闌（4)用于遮擋散射的光線， 僅讓沒有被散射的直射光線通過(guò)；
[0010] ⑶將步驟⑴制備的待測(cè)試樣品垂直放置到樣品支架（3)上，確保待測(cè)試樣品的入