[发明专利]一种利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的系统及方法

权利要求书

1.一种利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的系统，其特征在于，包括透射测试系统和反射测试系统，所述透射测试系统包括激光发射模块、待测样品安装模块和透射激光接收模块，所述反射测试系统包括激光发射模块、待测样品安装模块和反射激光接收模块；

所述激光发射模块，用于发射入射激光、调整入射激光的偏振并将该入射激光聚焦到待测样品上；

所述待测样品安装模块(1)，用于安装所述待测样品并旋转样品角度；

所述透射激光接收模块，用于聚焦所述待测样品经入射激光照射后产生的二次谐波、控制该二次谐波的偏振并测量该二次谐波的强度；

所述反射激光接收模块，用于反射和聚焦所述待测样品经入射激光照射后产生的二次谐波、控制该二次谐波的偏振并测量该二次谐波的强度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光发射模块包括依次顺序设置的飞秒激光器(2)、二分之一波片(3)和第一透镜(4)；

所述飞秒激光器(2)用于发射入射激光，所述二分之一波片(3)与一运动控制器(5)相连，用于调整入射激光的偏振，所述第一透镜(4)用于将入射激光聚焦到所述待测样品安装模块(1)上安装的所述待测样品上；

所述飞秒激光器(2)和所述二分之一波片(3)之间还设置有斩波器(6)，所述二分之一波片(3)与所述第一透镜(4)之间还设置有长波通滤波片(7)。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述透射激光接收模块包括依次顺序设置的第二透镜(8)、格兰棱镜(9)和PMT光电探测器(10)，所述第二透镜(8)用于将二次谐波聚焦到所述PMT光电探测器(10)上，所述格兰棱镜(9)与所述运动控制器(5)相连，用于控制被探测到的二次谐波的偏振类型为p偏振或s偏振，所述PMT光电探测器(10)用于测量二次谐波的响应强度；

所述第二透镜(8)与所述待测样品安装模块(1)之间还设置有带通滤波片(11)，所述带通滤波片(11)用于过滤二次谐波中混杂的基频光。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述待测样品安装模块(1)与所述带通滤波片(11)之间设置有固定反射镜Ⅰ(13)、固定反射镜Ⅱ(14)和活动反射镜(12)，所述固定反射镜Ⅰ(13)、所述固定反射镜Ⅱ(14)、所述活动反射镜(12)、所述带通滤波片(11)、所述第二透镜(8)、所述格兰棱镜(9)和所述PMT光电探测器(10)依次顺序设置后组成所述反射激光接收模块，所述活动反射镜(12)安装在一活动镜架上。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述待测样品安装模块(1)为一720°旋转样品架，所述720°旋转样品架由两个电动旋转台分别沿水平方向和竖直方向组装而成，使得安装在所述待测样品安装模块(1)上的所述待测样品能在水平方向和垂直方向分别旋转360°。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述待测样品为外延生长的铁电薄膜，所述铁电薄膜的基底不产生二次谐波。

7.一种利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将待测样品安装到待测样品安装模块(1)的边线上，通过激光发射模块向所述待测样品发射入射激光，根据所述待测样品对入射激光的透射率，选择透射激光接收模块或反射激光接收模块；

S2、固定入射光偏振类型为p偏振或s偏振，旋转所述待测样品安装模块(1)，将所述待测样品在垂直于入射面方向旋转，探测不同旋转角度θ下，所述待测样品产生的不同偏振的二次谐波强度，建立二次谐波强度与旋转角度θ的依赖关系；

固定待测样品的旋转角度θ，旋转二分之一波片(3)，改变入射光偏振角度探测该旋转角度θ下的所述待测样品产生的不同偏振的二次谐波强度，建立二次谐波强度与入射光偏振的依赖关系；

S3、根据所述步骤S2中的二次谐波强度，计算得到所述待测样品的各个畴取向分布及比例。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括定义所述系统的初始位置的步骤，该初始位置定义的条件为：入射激光偏振为p偏振且所述待测样品平行于所述待测样品安装模块(1)的边线。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述待测样品为外延生长的铁电薄膜，所述铁电薄膜的基底不产生二次谐波。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中通过以下公式建立入射光偏振角度样品旋转角度θ和二次谐波强度之间的依赖关系：

铁电薄膜材料在飞秒激光作用下发生二阶非线性光学效应：其中d_ijk为材料的二阶非线性系数，E为入射光的电场；

建立实验室坐标系(x₁,y₁,z₁)、样品坐标系(X,Y,Z)和晶格坐标系(X₁,X₂,X₃)，其中，在实验室坐标系(x₁,y₁,z₁)中，z₁轴沿着入射光方向，入射光的电场分量为在样品坐标系(X,Y,Z)中，X和Y分别沿着样品边缘，而在晶格坐标系(X₁,X₂,X₃)中，铁电畴的取向为X₃，且该铁电薄膜理论上存在的畴取向为N；

将二阶非线性系数d_ijk从晶格坐标系(X₁,X₂,X₃)转换到样品坐标系(X,Y,Z)中，转换公式为：d′_ijk＝α_ilα_jmα_knd_lmn，其中，(i,l＝1,2,3)是样品坐标系和晶格坐标系转换角度的余弦；

将电场分量从实验室坐标系(x₁,y₁,z₁)转换到样品坐标系(X,Y,Z)中，具体为：其中，γ为入射光与样品的夹角，为入射光偏振角度，θ为样品旋转角度；

则铁电薄膜中某一畴取向所产生的二阶非线性极化P^2ω为：

P2ω=Px2ωPy2ωPz2ω=dijk′Ex2Ey2Ez22EyEz2ExEz2ExEy,]]>

因此铁电薄膜中该畴取向产生的p偏振和s偏振的二次谐波电场强度为：

Es2ω=|cos(θ)f~yPy2ω-sin(θ)f~xPx2ω|,]]> 2

Ep2ω=|cos(γ)(cos(θ)f~xPx2ω+sin(θ)f~yPy2ω)-sin(γ)f~zPz2ω|,]]>

其中，为菲涅尔系数；

由此得出铁电薄膜所产生的总的p偏振和s偏振的二次谐波强度为：

I(p,s)2ω=Σi=1NΔFi|E(p,s)2ω,i|2,]]>

其中，ΔF_i为某个畴取向所占的比例。