PMN-PT晶体折射率的精确测量

赵卫岗，陈 虹，刘 鑫，邱复生，黄凌雄，张 戈，魏晓勇，徐 卓

(1.西安交通大学 电信学部，电子与科学工程学院，电子陶瓷与器件教育部重点实验室,陕西 西安710049;2.中国科学院 福建物质结构研究所，福建 福州 350002)

0 引言

Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)晶体因具有高压电常数、高介电系数、高的透过性能及优异的电光性能，被认为是开发新一代电光、声光调制器的重要晶体材料。目前已有许多关于PMN-PT晶体折射率测量的报道，研究表明,随着PT含量的升高，折射率呈现出增加趋势[1-2]。同时，针对PMN-xPT晶体的电光特性的研究结果显示，PMN-PT晶体的电光系数约700 pm/V，是一种潜在的电声光材料[3]。色散方程是光学晶体的重要光学参数方程，也是计算晶体电声光系数，非线性匹配角等参数的基础依据，对于进一步研究晶体的光学应用非常重要。文献[3]利用最小偏向角测量了PMN-PT晶体的折射率，给出了色散曲线，但是其结果并未讨论折射率测量过程中的误差及色散曲线拟合过程的误差。为了进一步研究PMN-PT晶体的电声光学特性，设计搭建了更高精度的折射率测量系统，针对未被测量的PMN-PT单畴样品进行测试具有重要的应用价值。

采用高温直流极化的方式，制备了沿<001>方向极化的PMN-0.39PT晶体单畴样品，测量了样品极化前、后的光学性能变化及光学加工的精度，而后采用激光自准直的方式验证了r(Nb)∶r(Li)=48.5∶51.5的CLN在波长分别为594 nm、633 nm、1 150 nm和1 520 nm时的寻常光折射率(no)、非寻常光折射率(ne)及Sellmeier方程，使用该系统测量了<001>极化的PMN-0.39PT晶体的折射率并拟合了Sellmeier方程，给出了Sellmeier方程及相应的物理参数。

1 实验样品制备

实验采用改进的布里奇曼法生长PMN-PT晶体，由于组分变化会呈现不同的相结构[4]，使用旋转X线衍射法(RO-XRD)对刚生长出来的晶体进行定向[5]后，再使用线切割进行尺寸加工，根据自准直折射率测量公式，采用文献[10]的数据计算得到合适的棱镜顶角在23°附近即可满足测量要求，实验中按照20°进行切割，使用内圆切割机沿着提前设计的切割路径进行切割，切割时注意调整晶面与切割线的平行。由于PMN-0.39PT的晶体是四方相结构及为4 mm对称性，因此，加工时将晶体沿自发极化方向<001>方向切割成直角三棱柱(见图1)，其棱边平行于<001>方向。

图1 PMN-PT晶体棱镜样品实物与尺寸示意图

极化前首先将室温银浆涂覆在晶体的极化表面，将样品置于干燥箱内，其次待涂覆的银浆干燥后，将样品放入硅油中，以2 ℃/min的速率升温至120～220 ℃，待温度稳定后缓慢施加电场至0.5～2 kV/mm，保温15～20 min后，关闭保温开关，晶体保压降温至室温后缓慢撤去电压，待电压归零后将晶体取出，清洗表面附着硅油，完成极化过程[6]。

最后，对样品的棱面进行抛光，抛光时需要提前加工好与待加工棱镜同顶角的抛光磨具，首先使用粒度为6.5～40 μm的刚玉抛光磨料进行抛光，粒度依次从40 μm下降至6.5 μm，最终使用粒径为∅(10～1 000) nm的二氧化硅悬浮抛光液进行光学抛光收尾，整个抛光过程，抛光盘转速保持50～300 r/min，晶体按压压力为0.5～30 kPa,完成晶体样品的光学加工[7]。

抛光后棱镜的斜边AB长为9.1 mm，BC长为3.22 mm，厚为5.19 mm(见图1)。测量<001>单畴的PMN-0.39PT晶体极化前、后的透过率曲线，证明了极化过程提升了晶体的透过率，极大地改进了晶体的光学均匀性和透明度，满足光学测试要求。晶体内部畴结构变化通过偏光显微镜(Olympus BXS1)判读，极化前、后抛光样品的透过率使用紫外到近红外分光光度计(Jasco V-5700 UV-VIS-IR)测量，抛光后样品表面起伏使用白光干涉(Zygo Newview900)测量。

四方相的<001>单畴的PMN-0.39PT晶体，其宏观对称性为4 mm，属于单轴晶体，分别测量PMN-0.39棱镜的no(线偏振光电位移矢量沿着<010>方向)和ne(线偏振光电位移矢量沿<001>方向)，即得到晶体的光率体，通过光率体方程可计算该晶体沿任意方向的折射率数值。

2 样品测试

首先偏光显微镜在正交偏光情况下，对晶体极化前、后状态进行了观察，结果如图2所示。由图可知，通过使用高温极化工艺，晶体内部畴结构无序度及伴随的应力分布被规则化，偏光显微镜下呈现出4次消光，且样品非边缘区域消光比较高，可达到20～30 dB，验证了单畴化工艺对PMN-0.39PT晶体的有效性。

图2 晶体极化前后的偏光图

使用紫外到近红外的分光光度计(Jasco V-570UV-VIS-IR)测量了晶体(PMN-0.39PT晶体薄片样品，厚为1 mm)极化前后的透过率曲线，如图3所示。由图可知，极化后PMN-PT晶体在短波段透过率得到了极大的改善，在折射率测量的波长范围(400～2 000 nm)内，PMN-0.39PT晶体均保持了较高的透过率(约67%)，这说明极化过程减少了晶体内部的应力，以及无序畴结构密度，减少了对短波光信号的散射[8]，提升了晶体的光学透明性和均匀性。因此，极化后PMN-0.39PT晶体可以用于激光自准直折射率测量系统。

图3 极化前后的PMN-0.39PT晶体的透过率曲线

使用白光干涉仪测量了抛光后样品表面的起伏如图4所示，其中对AC所在棱面采用了面扫描的方式测量了整个面的起伏，最大起伏为0.4 μm，考虑到AC长为8.5 mm，实际起伏角度为0.08″；AB所在棱面采用线扫描的方式测量，结果显示表面起伏最大为2 μm，考虑到AB长为9.1 mm，实际起伏角度小于0.8″，满足测量要求。

图4 样品表面起伏

测量时，将待测量晶体样品制作成直角三棱柱放置于卓立汉光的RAuk200高精度光栅定位电动旋转平台上，其旋转角度的闭环分辨率为1.8″，重复定位精度小于8.7 μrad，实验激光光源采用REO公司生产的594 nm、633 nm、1 150 nm和1 520 nm 4个波段低热噪声气体激光器，激光功率波动小于3%，且由于是气体激光器，基模高斯光斑，故可以有效提升光斑中心位置的判定准确度，光束返回后的位置判定使用以色列Duma Optronics公司生产的BeamOn-U3-VIS-NIR光斑质量分析仪测量，其光谱响应范围为350～1 600 nm，探测面元尺寸为11.34 mm×7.13 mm，像素大小为5.86 μm×5.86 μm，分辨率为1 936×1 216，对应角分辨率误差为3 μrad，具备高精度的光斑定位能力。如图5所示，测量时，激光首先通过格兰泰勒棱镜P起偏到竖直或水平方向(对应测量晶体的ne或no),然后经过一个平面分束镜(BS)，损失了50%的能量后,再经过两个平行放置的小孔，孔径约为激光束腰半径的2倍，照射到被测量晶体表面，光束经过晶体表面反射后，依次经过2个小孔，返回BS后被反射进入光束质量分析仪(CCD)。当激光光斑的中心位置与CCD上预先标定的自准直状态位置重合时，认为此测量系统初始化完成。测量晶体折射率时，首先通过对AC边所在面和AB边所在面的两次自准直测量得到棱镜顶角α，而后通过从AB边所在面(见图5)入射，当从AC边所在面返回的光线与入射光线重合时为自准直状态，此时测量得到晶体的自准直角(β) 。

图5 PMN-PT晶体棱镜测试光路与自准直示意图

当入射激光偏振与光轴平行时，所测量的折射率为ne，当入射激光偏振与光轴垂直时，所测量的折射率为no。激光以β入射到晶体的AB边所在面时，光线折成平行于BC的光线，光束在AC边所在面反射后沿原光路返回，此时晶体折射率为

n=sinβ/sinα

(1)

式中：n为晶体对应于入射激光波长的折射率[9]；β为晶体的自准直角度，也是以自准直角入射晶体后的折射角。

3 结果与讨论

激光自准直折射率测量系统的误差主要来源于激光光束的漂移、晶体光轴定位的准确度、晶体的光学加工、光斑位置判定及角度测量的精度，通常情况下准确度精度可达0.01%。由于测量系统中所使用的判定仪器和手段不同，测量系统的误差常由整个系统中的硬件决定，实验采用低噪声的气体激光器，角度误差为8.7 μrad的高精度电动旋转台，角度误差为3.0 μrad的光束质量分析仪。因此测量系统的误差为

(2)

式中：Δn为折射率的误差；Δα，Δβ分别为顶角和自准直角的测量误差，即自准直测量系统的角度测量误差；|∂n/∂α|，|∂n/∂β|分别为折射率数值对顶角和自准直角度的偏导数。

α、不同偏振态下的自准直角度(βno,βne)及对应的折射率(no,ne)的测量结果如表1所示。利用式(2)可得铌酸锂(LN)晶体在不同波段下的no的系统误差为7.5×10-5，ne的系统误差为7.4×10-5，但是实际测量过程中，随机误差也会影响测量结果，因此，可通过多次独立重复实验的标准偏差来消除。对LN晶体的折射率(no和ne)进行10次重复测量，通过计算独立重复测量的误差，得到了各个波长对应的随机误差为1×10-4～4×10-4。最终，将系统误差和随机误差统一为测量误差，误差为1×10-4～4×10-4，满足折射率测量要求。利用测量数据，拟合了LN晶体的Sellmeier方程：

(3)

(4)

式中λ为波长。根据式(3)、(4)绘制了共熔铌酸锂(CLN)晶体的折射率曲线如图6所示。

表1 PMN-PT晶体的折射率测量结果

由图6可知，共熔CLN(no>ne)属于负单轴晶体，其折射率数据(不论是no曲线还是ne曲线)均处于CLN、富Li元素的LN晶体和富Nb元素的LN晶体的折射率曲线范围内。考虑到测量时环境温度对测量结果的小范围影响，可以认为测量结果在预期范围之内，且折射率测量结果在633 nm处，这与CLN文献报道一致[10]。

测量了<001>单畴的PMN-0.39PT晶体折射率，结果如表1所示。经过测量，PMN-0.39PT晶体棱镜样品的α=19.997°，通过测量样品的βno,βne，计算得到折射率，测量结果如图7所示，PMN-0.39单畴晶体(no>ne)属于负单轴晶体，与其他的PMN-PT晶体一致。

图7 PMN-0.39PT晶体的Sellmeier曲线

使用最小二乘法拟合得到PMN-0.39PT晶体的Sellmeier方程为

(5)

(6)

综上所述，使用激光自准直方法测量了四方<001>极化的PMN-0.39PT晶体折射率及相关参数，与现有文献报道的PMN-xPT晶体一致，从侧面验证了折射率测量结果的合理性。

4 结束语

通过高温极化工艺，制备了<001>单畴的PMN-039PT晶体，通过偏光显微镜、可见光及近红外分光光度计和白光干涉仪研究了晶体极化前后透过率以及内部结构的变化，结果显示，高温极化工艺显著提升了晶体内部的均一性，实现了单畴化，同时提升了晶体在可见光及近红外波段的透过率。

通过使用经过LN晶体样品验证过的激光自准直折射率测量系统，在室温下测量了<001>单畴的PMN-0.39PT晶体在594 nm，633 nm，1 150 nm，1 520 nm波长下的双折射系数，利用最小二乘法拟合了室温下的色散方程，得到了高精度的PMN-0.39PT晶体的Sellmeier光学系数，为后续光学器件研制打下了良好基础。