专利名称：同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法
技术领域：
本发明涉及的是一种光电测量技术领域的方法，具体是一种同时测量Pockels和 Kerr电光系数的方法。
背景技术：
光子学和材料科学的交叉融合，使有着特殊功能的全新光子学器件成为研究的热 点。聚合物光子学材料是一类可以对光子进行传输、调制、显示和存储的新型聚合物功能材 料。它具有以下特点一是结构具有多样性，可以根据需要通过合理的分子设计进行合成和 裁剪，制备出具有特定结构的功能材料；二是聚合物材料兼容性好，光学非线性强，响应时 间快，驱动电压低，可使电光器件获得高调制带宽；三是具有高光热系数和低热传导率，柔 韧性强，造价低廉，易于加工，可用于短距离信息传输、计算机内部光互联等领域。由于具有 以上特点和良好的发展趋势，聚合物光子学材料逐渐成为制作全新光子学器件的首选材料 之一。
物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率随外加电场而发生变化的 现象为电光效应。外加电场引起的折射率变化正比于电场强度称为Pockels效应即线性电 光效应，外加电场引起的折射率变化正比于电场强度的平方则称为Kerr效应即二阶非线 性电光效应。利用电光效应可以制作电光调制器，电光开关，电光光偏转器等，可用于光闸， 激光器的Q开关和光波调制；在高速摄影，光速测量，光通信和激光测距等激光技术中电光 效应也都有重要应用。电光系数是描述材料电光效应的参数，反应了材料的非线性光学性 质的优劣，它对调制器的驱动电压和功率消耗以及光开关的响应速度等都起着决定性的作 用。快速、方便、精确地测量材料的电光系数，对新材料的合成设计、极化工艺研究、功能器 件的制备均具有实际意义。
经过对现有技术的检索发现，日本Fusheng Qiu等人在《Applied Physics Letters))(《应用物理快报》)Vol. 65 (13) 1605-1607，July 1994 (1994 年 7 月，第 65 卷 (第 13 期)第 1605-1607 页)中的论文"Determination of complex tensor components of electro-optic constants of dye-dopedpolymer films with a Mach-Zehnder interferometer，，(利用M-Z干涉仪法测量燃料掺杂型聚合物薄膜电光系数的复张量元)提 出了用M-Z干涉法测量电光系数的张量元，但该方法测量装置比较复杂，样品加工的要求 较高。美国TENG，C. C等人在《Applied Physics Letters》(《应用物理快报》)Vol. 56 (18) 1734-1736, April 1990(1990 年 4 月，第 56 卷(第 18 期)第 17；34_1736 页)中的论文 "Simple reflection technique for measuring the electro-optic coefficient of poledpolymers”(测量极化聚合物电光系数的简单反射法)中用简单反射法测量电光系 数的张量元，但该方法忽略了自然双折射的作用，且做了近似处理，不能准确地测量一次 电光系数的张量元。IBM研究部的R-HJage等人在《Journal of the Optical Society of America B》(《美国光学协会杂志B》)Vol. 7，No. 7，July 1990 (1990年7月，第七卷 第 7期)上的论文‘‘Electrochromic andoptical wave-guide studies of corona-poled3electrooptic polymer-films"(电极化电光聚合物薄膜的电致变色和光波导研究)提出 了用电致变色的方法测量电光系数，该方法是一种间接的测量方法，不是严格的电光效应 的直接测量。再者，上述三种方法并没有涉及同时测量具有Pockels和Kerr两种效应的聚 合物的电光系数。发明内容
本发明针对现有技术测量单一电光系数的不足，提出一种同时测量Pockels和 Kerr电光系数的方法，采用棱镜耦合激发表面等离子波，使得入射光能量耦合到表面等离 子波模式和导波模式中，反射光能量急剧衰减形成一系列共振曲线即衰减全反射(ATR)曲 线。外加三角波电压调制入射光，ATR曲线水平微量移动，反射光强发生变化，通过变化量 求出Pockels系数和Kerr系数。
本发明是通过以下技术方案实现，包括以下步骤
第一步、采用旋涂法依次在棱镜的一侧上制备上电极、聚合物材料薄膜层、缓冲层 和下电极以构成棱镜-波导结构；
所述的棱镜-波导结构中上电极的厚度为150-200nm，有机聚合物导波层的厚度 2-4 μ m,缓冲层的厚度2-4 μ m，下电极的厚度40-50nm。
所述的上电极和下电极为金元素、银元素、铝元素或钼元素制成，其介电常数实部 ε r ( -10，介电常数虚部ε r彡-I. 。
第二步、通过入射角扫描使入射光在界面方向实现波矢匹配激发表面等离子波， 形成ATR谱；再次扫描入射角并选择某一共振曲线的下降沿或上升沿的线性部分中点作为 工作点。
第三步、对样品上下电极施加三角波调制的电压信号，ATR谱的共振峰发生水平微 量移动且反射光强变化Δ I与工作角变化Δ θ成正比Δ〗=k · Δ θ，其中k是共振峰 下降沿或上升沿线性部分中点的斜率；在电压作用下导波层聚合物产生电光效应，折射率变化量与三角波调制波形的电场强度满足以下关系
权利要求
1.一种同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法，其特征在于，包括以下步骤 第一步、采用旋涂法依次在棱镜的一侧上制备上电极、聚合物材料薄膜层、缓冲层和下电极以构成棱镜-波导结构；第二步、通过入射角扫描使入射光在界面方向实现波矢匹配激发表面等离子波，形成 ATR谱；再次扫描入射角并选择某一共振曲线的下降沿或上升沿的线性部分中点作为工作占.第三步、对样品上下电极施加三角波调制的电压信号，ATR谱的共振峰发生水平微量移 动且反射光强变化Δ I与工作角变化Δ θ成正比Δ〗=k · Δ θ，其中k是共振峰下降 沿或上升沿线性部分中点的斜率；在电压作用下导波层聚合物产生电光效应，折射率变化量与三角波调制波形的电场强度满足以下关系Δη33 = -^nKr33E +S33E2),其中八如为折射率变化量，Y33为Pockels系数，S33为Kerr系数，η3为聚合物材料折射率，E为外加调制 电场；第四步、由三角波对应的正向最大调制电场^iax以及反向最大调制电场-Emax，得到示波 器记录的对应正向反射光强变化AI1和反向反射光强变化ΔΙ2，联立后得到电光系数Υ33 = ^AI1, Δ 12，Emax, θ) = κ (AI1-AI2)和 S33 = f2 ( Δ I1, Δ 12，^iiax，θ) = κ (ΔΙ1+ΔΙ2),其中κ为比例常数，根据上述方式计算得到Pockels系数和Kerr系数。
2.根据权利要求1所述的同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法，其特征是，所述 的棱镜-波导结构中上电极的厚度为150-200nm，有机聚合物导波层的厚度2_4 μ m，缓冲 层的厚度2-4 μ m，下电极的厚度40-50nm。
3.根据权利要求1或2所述的同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法，其特征是，所 述的上电极和下电极为金元素、银元素、铝元素或钼元素制成，其介电常数实部ε r ^ -10， 介电常数虚部-1.0。
4.根据权利要求1所述的同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法，其特征是，所述 的光强变化Δ I与Pockels系数、Kerr系数、外加调制电场E和工作角θ满足以下关系Δ/ = f(733,s33,E,0) = -k-—^-—n33(r33E +S33E2), n 为棱镜折射率。Znl cos θ
5.根据权利要求1所述的同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法，其特征是，所述 的入射光的波长为300nm-4500nm。
6.根据权利要求1所述的同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法，其特征是，所述 的电压信号的电压为80V彡AV^ 250V。
全文摘要
一种光电测量技术领域的同时测量Pockels和Kerr电光系数的方法，采用棱镜耦合激发表面等离子波，使得入射光能量耦合到表面等离子波模式和导波模式中，反射光能量急剧衰减形成一系列共振曲线即衰减全反射ATR曲线。外加三角波电压调制入射光，ATR曲线水平微量移动，反射光强发生变化，通过变化量求出Pockels系数和Kerr系数。
文档编号G01N21/63GK102032946SQ20101052359
公开日2011年4月27日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者朱宵辉, 石现领, 祝颂, 邓晓旭, 高景 申请人:上海交通大学