压电和电致伸缩形变自动化测试系统

　　1 前 言

　　压电材料特别是压电薄膜在微传感器和微致动器的应用日益受到重视，其中测量和获取精确的压电参数对于研究材料压电机理，开发新型压电材料，改进和充分利用现有压电材料有重要作用。对于使用者来说，了解压电材料的各种关键参数有助于进行系统设计，从而保证系统的总体性能。但是，采用不同测量的方法所获取的压电或热释电薄膜的压电系数相差很大^{[1, 2, 4~9]} ，甚至超过一个数量级。这种差异不仅是由于薄膜的微结构和薄膜质量的差异产生的，而且也有测量技术上的原因^[10] 。因此，材料及其应用领域的研究工作者仍在不断地探索适用范围更广、精度更高的压电参数测量理论和方法。

　　1989 年，Pan 等人提出了双光束 Mach-Zehnder的测试方法^{[3, 6, 7]} ，该方法的主要特点是消除了衬底的弯曲效应。本文采用双光束探测干涉仪通过从样品前后表面探测样品在光程上抵消基底弯曲效应，利用labview 实现对反馈、前置放大和锁相等环节的控制，并进行数据的自动记录和实时处理。

　　2 测试原理

　　双光束干涉测试原理如图 1 所示。氦氖激光器出射的为线偏振光，在Pb-1垂直于水平面振动的光分量被反射到Pb-3 形成参考光束;而平行于水平面振动的光分量透过Pb-1，并被透镜聚焦，穿过λ/4 波片入射到样品表面形成探测光束，探测光被样品表面反射后，再次穿过λ/4 波片到达Pb-1。

　　因为探测光两次经过 λ/4 波片，其偏振方向被旋转 90°，垂直于水平方向振动，所以到达 Pb-1 后它被反射，经过两个转折平面镜到达偏振分束器Pb-2。同理，探测光被Pb-2 反射经会聚透镜透过λ/4波片，入射到样品的另一表面，其入射点正对前一表面的入射点。探测光被样品再次反射后也两次经过这一侧的λ/4 波片，偏振方向被再次旋转 90°，所以探测光可以穿过Pb-2，到达中性分束器B-4。参考光先被偏振分束器Pb-3 反射，经过1 个λ/4 波片入射到固定在1个微位移器上的参考平面镜，参考光被参考平面镜反射后再次经过1/4 波片，从而其偏振方向旋转90°，透过Pb-3 到达B-4。经过B-4 探测光束与参考光束汇合产生干涉，干涉光强被探测器转换成电信号。样品厚度的变化将引起干涉光强的变化，从干涉光强的变化中提取出样品厚度变化的信息。

　　由于探测光路和参考光路相比，探测光路中的光强损失严重。因此在 Pb-1 与激光器间插入 1 个1/2 波片，以调整探测光和参考光的相对强度，使两束光在干涉时的光强基本相等从而得到最高的对比度。采用双光束的测试光路，当基底向上弯曲时，探测光在上表面的光程就会减少 L，但是在下表面探测光的光程会增加 L，所以探测光的总光程不因为基底的弯曲而变化，这就消除了基底的弯曲效应。同时，这样的光路布置还可以提高光路抗干扰的能力，因为当外界的干扰使样品连同基底一起振动时，上下两面产生的光程变化也互相抵消，所以最终不会引起干涉光强的变化。在探测器处探测到的光强信号