PMN-PT晶體折射率的精確測量

趙衛崗，陳 虹，劉 鑫，邱復生，黃凌雄，張 戈，魏曉勇，徐 卓

(1.西安交通大學 電信學部，電子與科學工程學院，電子陶瓷與器件教育部重點實驗室,陜西 西安710049;2.中國科學院 福建物質結構研究所，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、高介電系數、高的透過性能及優異的電光性能，被認為是開發新一代電光、聲光調制器的重要晶體材料。目前已有許多關于PMN-PT晶體折射率測量的報道，研究表明,隨著PT含量的升高，折射率呈現出增加趨勢[1-2]。同時，針對PMN-xPT晶體的電光特性的研究結果顯示，PMN-PT晶體的電光系數約700 pm/V，是一種潛在的電聲光材料[3]。色散方程是光學晶體的重要光學參數方程，也是計算晶體電聲光系數，非線性匹配角等參數的基礎依據，對于進一步研究晶體的光學應用非常重要。文獻[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。為了進一步研究PMN-PT晶體的電聲光學特性，設計搭建了更高精度的折射率測量系統，針對未被測量的PMN-PT單疇樣品進行測試具有重要的應用價值。

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、后的光學性能變化及光學加工的精度，而后采用激光自準直的方式驗證了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方程及相應的物理參數。

1 實驗樣品制備

實驗采用改進的布里奇曼法生長PMN-PT晶體，由于組分變化會呈現不同的相結構[4]，使用旋轉X線衍射法(RO-XRD)對剛生長出來的晶體進行定向[5]后，再使用線切割進行尺寸加工，根據自準直折射率測量公式，采用文獻[10]的數據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°進行切割，使用內圓切割機沿著提前設計的切割路徑進行切割，切割時注意調整晶面與切割線的平行。由于PMN-0.39PT的晶體是四方相結構及為4 mm對稱性，因此，加工時將晶體沿自發極化方向<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，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 ℃，待溫度穩定后緩慢施加電場至0.5～2 kV/mm，保溫15～20 min后，關閉保溫開關，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行光學拋光收尾，整個拋光過程，拋光盤轉速保持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，極大地改進了晶體的光學均勻性和透明度，滿足光學測試要求。晶體內部疇結構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、后狀態進行了觀察，結果如圖2所示。由圖可知，通過使用高溫極化工藝，晶體內部疇結構無序度及伴隨的應力分布被規則化，偏光顯微鏡下呈現出4次消光，且樣品非邊緣區域消光比較高，可達到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，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部的應力，以及無序疇結構密度，減少了對短波光信號的散射[8]，提升了晶體的光學透明性和均勻性。因此，極化后PMN-0.39PT晶體可以用于激光自準直折射率測量系統。

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平臺上，其旋轉角度的閉環分辨率為1.8″，重復定位精度小于8.7 μrad，實驗激光光源采用REO公司生產的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確度，光束返回后的位置判定使用以色列Duma Optronics公司生產的BeamOn-U3-VIS-NIR光斑質量分析儀測量，其光譜響應范圍為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(對應測量晶體的ne或no),然后經過一個平面分束鏡(BS)，損失了50%的能量后,再經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，光束經過晶體表面反射后，依次經過2個小孔，返回BS后被反射進入光束質量分析儀(CCD)。當激光光斑的中心位置與CCD上預先標定的自準直狀態位置重合時，認為此測量系統初始化完成。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，當從AC邊所在面返回的光線與入射光線重合時為自準直狀態，此時測量得到晶體的自準直角(β) 。

圖5 PMN-PT晶體棱鏡測試光路與自準直示意圖

當入射激光偏振與光軸平行時，所測量的折射率為ne，當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為晶體對應于入射激光波長的折射率[9]；β為晶體的自準直角度，也是以自準直角入射晶體后的折射角。

3 結果與討論

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

(2)

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

α、不同偏振態下的自準直角度(βno,βne)及對應的折射率(no,ne)的測量結果如表1所示。利用式(2)可得鈮酸鋰(LN)晶體在不同波段下的no的系統誤差為7.5×10-5，ne的系統誤差為7.4×10-5，但是實際測量過程中，隨機誤差也會影響測量結果，因此，可通過多次獨立重復實驗的標準偏差來消除。對LN晶體的折射率(no和ne)進行10次重復測量，通過計算獨立重復測量的誤差，得到了各個波長對應的隨機誤差為1×10-4～4×10-4。最終，將系統誤差和隨機誤差統一為測量誤差，誤差為1×10-4～4×10-4，滿足折射率測量要求。利用測量數據，擬合了LN晶體的Sellmeier方程：

(3)

(4)

式中λ為波長。根據式(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果

由圖6可知，共熔CLN(no>ne)屬于負單軸晶體，其折射率數據(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。考慮到測量時環境溫度對測量結果的小范圍影響，可以認為測量結果在預期范圍之內，且折射率測量結果在633 nm處，這與CLN文獻報道一致[10]。

測量了<001>單疇的PMN-0.39PT晶體折射率，結果如表1所示。經過測量，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，測量結果如圖7所示，PMN-0.39單疇晶體(no>ne)屬于負單軸晶體，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，使用激光自準直方法測量了四方<001>極化的PMN-0.39PT晶體折射率及相關參數，與現有文獻報道的PMN-xPT晶體一致，從側面驗證了折射率測量結果的合理性。

4 結束語

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部結構的變化，結果顯示，高溫極化工藝顯著提升了晶體內部的均一性，實現了單疇化，同時提升了晶體在可見光及近紅外波段的透過率。

通過使用經過LN晶體樣品驗證過的激光自準直折射率測量系統，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，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光學系數，為后續光學器件研制打下了良好基礎。