電控光散射材料與器件時域響應特性測試方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種電控光散射材料與器件時域響應特性測試方法，具體涉及一種電 控光散射材料與器件在外加電場作用下時域響應特性的測試系統及方法，屬電光材料與器 件技術領域。
【背景技術】
[0002] 激光器及激光技術在光學及相關領域的應用日益重要。目前大功率單一激光器的 功率已超越兆瓦級，光網絡通信容量即將實現Tb/s量級。大功率激光器與高速大容量的光 網絡要求系統中各部分器件的響應時間盡量縮短，以增強系統的彈性管理能力，這就要求 器件的響應速度更快、集成度更高。電光器件也向著低成本、高集成，特別是響應速度必須 向著更高、更快的趨勢發展。在開發新型電光材料與器件時，必須對材料與器件自身的時域 響應特性進行科學而系統的測試表征，以評估其特性是否能滿足實際應用的需求。
[0003] 能對光信號的相位、幅度等物理參量進行電學調控的材料都屬于電光材料研究范 疇，其一是電控雙折射效應研究：對具有電控雙折射效應的材料施加電場時，外電場使材 料的光率體發生變化，從而改變材料的折射率。電控雙折射效應的電光陶瓷和電光單晶 等，是目前研究和應用較多的電光材料，利用這類材料已開發出了電光調制器、電光開關、 光衰減器、光隔離器等器件。然而這類基于電控雙折射效應的電光器件在實際應用中，只能 用于偏振光光源，即器件是偏振相關的，這在一定程度上增加了光學系統的設計難度和成 本，極大地的限制了其應用范圍。其二是電控光散射效應研究：對具有電控光散射效應的材 料施加電場時，外電場作用下材料內部形成折射率不連續的大量局域排列有序疇壁，使入 射光通過時產生折射、反射而成散射的出射光，使在入射光傳播方向上的光強被大幅度散 射衰減。利用材料的電控光散射效應同樣可以開發出電光調制器、電光開關、光衰減器、光 隔離器等器件，這種類型的器件主要是對入射光強進行調控的，因此它的最大特點是對入 射光偏振態沒有要求，器件行為與偏振無關。偏振無關型電光器件對光學系統中光源、光 線沒有任何限制。在實際應用中，與雙折射效應的電光材料相比，具有散射效應的電光材料 具備無需對光軸、對光源無任何限制，且器件結構簡單等優點，可極大簡化光學系統的光路 設計、降低系統成本。因此，快速發展激光技術迫切需要開發偏振無關的電光器件，并對材 料與器件的時域響應特性進行科學與系統的測試表征。
[0004] 已公開的文獻中，針對具有電控光散射效應材料的制備、外加電場下散射光強變 化隨電場強度的變化特性等，如中國發明專利《斕摻雜錯欽酸鉛電控光散射透明陶瓷及其 制備方法》（CN 103449813A)，公開了斕摻雜鋯鈦酸鉛（PLZT)電控光散射透明陶瓷材料的 成分、通氧一一熱壓燒結工藝燒結過程氧氣流量、燒結溫度、保溫時間、壓強等工藝技術參 數，并給出了所制備材料的光學透過率和光衰減度等特性參數。但沒有給出材料的電控響 應時間等特性參數，更沒有涉及時域特性的測試表征方法內容；發明專利《電光系數測量裝 置》（CN102621110A)所公開的，是利用光纖、準直器構成的光路，加上偏振片和上下表面的 鍍金電極的待測電光材料樣品的測試方案。其目的是為了測量出立方晶體電光材料的電 光系數，但也只能測試電控雙折射效應材料的電光系數，不能對電控光散射效應的材料與 器件進行測試，也沒能沒有涉及時域特性的測試表征；發明專利《鐵電薄膜電光系數測試方 法》（CN1117134)所公開的，是由起偏器、1/4波片、磁光調制器、檢偏振器等構成的光路，由 光電倍增管、鎖相放大器和示波器等電學儀器將光學信號轉換成電學信號。其基本原理是 利用鐵電薄膜在電場的作用下對光信號相位的調制作用進行測量，該測試方案與技術也只 能測試電控雙折射效應材料的電光系數，不能對電控光散射效應的材料與器件進行測試， 也沒能沒有涉及時域特性的測試表征；發明專利《同時測量Pockels和Kerr電光系數的方 法》(CN102032946A)所公開的，是由入射光加反射光、棱鏡、偏振片、探測器等關鍵部件構成 光路，采用棱鏡耦合激發表面等離子波，使入射光能量耦合到表面等離子波模式和導波模 式中，通過反射光強的變化量求出Pockels系數和Kerr系數。其中外加電場引起的折射率 變化正比于電場強度稱為Pockels效應即線性電光效應，外加電場引起的折射率變化正 比于電場強度的平方則稱為Kerr效應即二階非線性電光效應。所以這種測試方案與技術 同樣是測試電控雙折射效應材料的電光系數，不能對電控光散射效應的材料與器件進行測 試，也沒能沒有涉及時域特性的測試表征；發明專利《反射法測量有機聚合物薄膜材料的電 光系數的方法及裝置》(CN101995292A)所公開的測試方法由光學元件和電學元件兩部分構 成，包括單色光纖激光器、準直器、起偏器、索累一巴比涅補償器、檢偏器、光電探測器、直流 交流濾波器、鎖相放大器、雙路低頻信號發生器等，適用有機聚合物薄膜材料電光系數的測 定，本質上仍是測試電控雙折射效應材料的電光系數。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是針對【背景技術】提出的問題，提供一種電控光散射材料與器件時域 響應特性測試方法，是針對電控光散射陶瓷材料與器件的電光特性和時域響應特性的表征 要求，提供一種簡潔可靠且高精度的測試方法。所述方法的理論依據是：光電探測器輸出的 電壓與照射到探測面上的光強度成正比，因此光電探測器輸出電壓隨時間的變化關系直接 反映了光強隨時間的變化關系，結合測試時對測試系統中光電探測器、示波器及傳輸網絡 各部分響應時間的誤差校正，得出在某一外加電壓下，電控光散射材料或器件的散光光強 變化與時間的時域響應特性，也可根據計算得出樣品響應時間與電場強度間的關系。
[0006] 為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案：
[0007] -種電控光散射材料與器件時域響應特性測試方法，包括：測試樣品制備、光路調 節、脈沖電源驅動、獲取并存儲"電壓一時間"關系曲線以及，分別計算得出散光光強變化與 時間的時域響應特性、散光時域響應特性與外加電場之間的關系；所述特性測試方法選用 的儀器設備包括：平行光單色激光器（1)、可調超快脈沖驅動電源（2)、樣品支架（3)、可變 光闌（4)、光電探測器（5)、數字存儲示波器（6)，還包括：擋板（7)和聚光凸透鏡（8);其特 征在于：所述時域響應特性測試方法具體按如下步驟：
[0008] ⑴將待測的電控光散射材料制備成一定厚度的方形薄片，再在薄片的兩面制備透 明導電薄膜，并將金屬導線從所述透明導電薄膜上引出，制成帶導電電極的電控光散射材 料待測試樣品；
[0009] ⑵將平行單色激光器（1)輸出的單色激光經準直器準直后，生成具有一定直徑的 平行光束，再將依次布置的平行光單色激光器（1)、樣品支架（3)、可變光闌（4)、光電探測 器（5)的中心調節為一水平直線，構成測試光路；所述可變光闌（4)用于遮擋散射的光線， 僅讓沒有被散射的直射光線通過；
[0010] ⑶將步驟⑴制備的待測試樣品垂直放置到樣品支架（3)上，確保待測試樣品的入