检测薄膜压电形变的双光束探测干涉仪的设计

　　引 言

　　压电薄膜，作为具有压电效应的新型功能材料，其应用范围不断扩展。因此对其研究和压电特性的测量越来越深入，成为材料领域研究的一大热点。研究薄膜的压电性能，需要检测在电场作用下薄膜厚度的变化。光学检测方法具有灵敏度、分辨力高和非接触的优点，因此在压电效应检测中获得广泛应用。迈克尔逊干涉仪在块状压电材料的形变检测中很有效[1]，但是，在薄膜材料的检测中，基底弯曲效应的影响显著，这限制了迈克尔逊干涉仪在薄膜材料检测中的应用。如图1 所示，薄膜在电场作用下发生形变时，产生的巨大拉力会拉动基底，使基底发生弯曲，这就是基底弯曲效应。因为这个效应，薄膜和基底近似形成一个“双压电晶片”。这样，在交变电场的作用下，用迈克尔逊干涉仪检测到的振幅实际是“双压电晶片”的振幅，它可能会比实际的压电形变大到一个数量级[2]。所以用迈克尔逊干涉仪检测薄膜材料的压电效应可能会带来很大误差。本文介绍的双光束探测干涉仪通过从前后两面探测样品，在光程上抵消基底弯曲效应;并采用计算机控制、反馈控制和锁相检测技术，实现了薄膜材料压电形变的精确测量，其装置已在香港理工大学智能材料研究中心得到有效应用。

　　1 双光束探测干涉仪的原理

　　1.1 系统装置

　　双光束探测干涉仪的光路和电子装置如图2 所示。激光器发出的线偏振光，经过光隔离器(Isolator)、λ/2 波片，到达偏振分束器 PB1。在PB1，垂直于水平面振动的光分量被反射到 PB3，形成参考光束;而平行于水平面振动的光分量透过 PB1，并被透镜 L1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 PB1。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PB1后它被 PB1反射，经过两个转折棱镜到达偏振分束器PB2。同理，探测光被 PB2反射，经L2聚焦，透过λ/4 波片，入射到样品的另一表面，入射点正对前一表面的入射点。探测光被样片再次反射后，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PB2，到达分束器 BS1。参考光先被偏振分束器PB3反射，经过一个λ/4 波片，入射到固定在一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一次经过λ/4 波片，从而其偏振方向旋转 90°，透过 PB3，经一个棱镜转折后到达 BS1，经过 BS1，两束光汇合，产生干涉，干涉的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，从而从干涉光强的变化中提取出样品厚度变化的信息。探测器的输出被接入反馈控制电路，实现锁定光程;同时也被接入锁相放大器，进行窄带滤波检测，从而提取出微小的厚度变化信息。