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。
1.2 基底弯曲效应的消除
这种干涉仪因为探测光从前后两面探测样品而被称为双光束探测干涉仪。正是因为探测光从前后两面探测样品，从而抵消了弯曲效应带来的光程变化。如图3 所示，当基底向上弯曲时，探测光在上表面的光程就会减少2L，但是在下表面，探测光的光程会增加2L，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。
1.3 测量原理
设静态(即样品无外加电场驱动)时，探测光和参考光的光程差是2 d0，dac是样品厚度的微小变化，IIpr, 分别是探测光和参考光在干涉场的光强，λ 为光波长。则探测器处的干涉光强为
2 设计考虑
2.1 光路布置
光路应尽量紧凑布置，同时使参考光和探测光光程差尽量小。在激光器前我们使用一个由法拉第旋光器构成的光隔离器(见图1)，有效阻止光路中的反射光进入激光器而使激光输出不稳定。因为有了隔离器，光路中的所有入射都可以按正入射来布置，提高了光路的精度。光路中的λ/2 波片用来旋转入射激光的偏振方向，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。
在样品两侧，探测光都是先经过透镜再透过λ/4 波片的，这样透镜表面的反射光就不会经过λ/4 波片，从而使透镜表面的反射光最终折回隔离器，而不会到达 BS1参与干涉。实验表明，如果将样品两侧的λ/4 波片和透镜位置对换，则透镜表面的反射光参与干涉，使干涉光强很不稳定。
2.2 反馈控制
反馈电路应该只对工作点的低频漂移有响应，对工作点的低频漂移起补偿作用。被测信号处于相对较高的频率，反馈电路中设有低通滤波，以保证被测信号不被补偿掉。我们设计的反馈系统带宽10Hz，而被测信号是1kHz 以上。测量前设置反馈电路的参考电压，以设定工作点。
2.3 样品的测量
测量前要先对系统定标，这可以通过给驱动参考平面镜的微位移器加三角波驱动信号来实现。只要使微位移器驱动参考镜移动半个波长以上，就可以在示波器上得到完整的正弦波。正弦波的中线就是工作点电压，将反馈电路的参考电压调整到这个电压，就可以锁定工作点。锁相放大器可以输出交流、直流驱动信号，经过功率放大驱动样品(对于很多薄膜材料，可以直接驱动，不用放大)。这样，可以用计算机控制锁相放大器发出驱动信号，再从锁相放大器读取测量信号，进行数据处理，从而实现自动测量。
3 实验结果
用一石英样品进行了实验，定标波形如图4(示波器照片)。三角波2 是给推动参考镜的微位移器加的驱动信号，波形1 是得到的干涉信号。 6000pp.V= V，正弦波的平均值是3.177V。撤去加在微位移器上的驱动信号，调整反馈电路的参考电压，使探测器的输出平均值为 3.177V。给样品加频率 f=5kHz，电压 0~5V(有效值)的驱动信号，得到如图5(a)所示的电压扫描曲线。从图中可以看出，压电形变与驱动电压具有良好的线形关系;系统的分辨力可以达到0.001nm。使用有效值为30v ， 频率10~100kHz 驱动电压，得到样品的频率扫描曲线，如图5(b)。扫描频率达到80kHz后，响应显著增大，这是因为此时样品已处于共振状态。
4 结 论
双光束探测干涉仪可以有效消除基底弯曲效应，特别适合于薄膜材料的压电性能检测，也适用于其他一些类型的微位移检测，如电致伸缩等。通过锁相检测，可以将淹没在噪声中的微弱信号提取出来，使系统的分辨力达到 0.001nm。为了避免较底频率时反馈系统对测量信号的补偿，样品驱动信号频率选择在1kHz 以上;受锁相放大器(型号 SR830)带宽的限制，信号频率上限为 100kHz。
参考文献:
[1] Li J F, Moses P, Viehland D. Simple, high-resolution interferometer for the measurement of frequency-dependent complexpiezoelectric responses in ferroelectric ceramics[J]. Rev. Sci. Instrum. 1995, 66 (1): 215-221.
[2] Kholkin A L, Wütchrich Ch, Taylor D V, et al. Interferometric measurements of electric field-induced displacements in
piezoelectric thin films[J]. Rev. Sci. Instrum. 1996 ,67 (5): 1935-1941.
[3] Pan W Y, Cross L E, A sensitive double beam laser interferometer for studying high-frequency piezoelectric and
electrostrictive strains[J]. Rev. Sci. Instrum. 1989, 60 (8): 2701-2705.
基金项目：香港特区政府创新科技基金资助(ITF AF147/98)资助
作者简介：黄 傲(1977—)，男(汉族)，安徽舒城人，硕士生，主要从事光电及智能仪器的研究，Email:aohzju@sohu.com
