logo fp cmyk cz

KATEDRA FYZIKY

Laboratoř laserová interferometrie

Vedoucí laboratoře: Doc. RNDr. Miroslav Šulc, Ph.D.

Laboratoř laserové interferometrie slouží k měření malých deformací, vyvolaných obráceným piezoelektrickým jevem a následnému výpočtu piezoelektrických koeficientů zkoumaných materiálů. Pro určení piezoelektrických koeficientů se obecně používá celá řada metod. Velice často se užívají rezonanční metody, které mají ale jednu principiální nevýhodu. Lze je použít pouze při specifické frekvenci, závislé na rozměrech vzorku. Tuto nevýhodu odstraňují subrezonanční metody. Ty pracující v širokém rozsahu frekvencí a měří deformaci v jednom směru – posunutí určité plochy vzorku. Tato posunutí jsou ale velmi malá a pro jejich měření je proto nutno zvolit citlivou a přesnou metodu. Vhodnou metodou pro měření těchto malých posunutí je laserová interferometrie.

Historie

Vznik laboratoře byl iniciován v roce 1996 renomovanými odborníky z Fyzikálního ústavu AV ČR a Univerzity v St. Galenu, kteří předtím přišli na katedru fyziky Technické univerzity v Liberci. Po získání výzkumného záměru "Studium elektromechanických vlastností látek a jejich využití ve vědě a technice" od Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR byly vytvořeny mimořádně vhodné podmínky pro rozvoj výzkumu dielektrických materiálů. Na fakultě pedagogické a fakultě mechatroniky a mezioborových studií Technické univerzity v Liberci bylo vybudováno společné pracoviště, které svým rozsahem výzkumu pokrývá širokou oblast od základního výzkumu až po aplikační. Vznikla i nová pracoviště, mezi nimi i Laboratoř laserové interferometrie. Tato laboratoř vznikala od úplného základu. Byly provedeny stavební úpravy, nakoupeno vybavení a získány zkušenosti ze zahraničních pracovišť. Ke konci roku 1998 začal zkušební provoz této laboratoře.

Interferometrie

Základem laboratoře je modulární systém interferometru, který byl navržen tak, aby bylo možné měnit experimentální sestavu při změnách požadavků na měřené vzorky. V současné době tento systém umožňuje rychlé a jednoduché sestavení všech potřebných experimentálních konfigurací. Při stavbě interferometru jsme vycházeli z klasických prací, provedených v Pennsylvania State University. Zde pro měření piezoelektrických deformací postavili nejprve Michelsonův [1] a posléze i Mach–Zehnderův interferometr [2]. Také nám zpočátku velice pomohlo využití zkušeností profesora Kholkina, získaných při návštěvě École Polytechnique Fédérale de Lausanne, kde místní interferometrická laboratoř byla na velmi vysoké úrovni [3]. Postavením obdobné laboratoře jsme se zařadili mezi několik málo takto vybavených pracovišť na světě.

Jednopaprskový Michelsonův interferometr

b

sulc2 

Dvoupaprskový Mach-Zehnderův interferometr

sulc 3 sulc1

I když byl interferometr v Lausanne velmi přesný, byla ještě řada možných zlepšení při konstrukci našeho interferometru [4]. Optické části byly opatřeny antireflexními vrstvami, aby odražené paprsky nevytvářely při dopadu na fotodiodu parazitní signál. K nastavení fázového rozdílu mezi větvemi interferometru jsme při studiu piezoelektrických materiálů použili fázový modulátor, vyrobený v naší laboratoři a založený na krystalu LiNbO3, namísto standardně používaného piezoelektrického aktuátoru. Byl použit i Faradayův rotátor, který brání zpětnému odrazu paprsku do laserového rezonátoru a tím i rozladění laseru.

Dalším krokem ve výzkumu byla realizace možnosti měřit piezoelektrické koeficienty v širokém rozsahu teplot, zvláště potom při nízkých teplotách. Takovými experimenty se žádné jiné pracoviště nezabývalo, protože přinášely spousty technických problémů. Vibrace kryostatu či změny teplot způsobují ztrátu kontrastu interferenčního obrazu. Naše řešení problému vycházelo ze skutečnosti, že na interferenční obrazec má podstatný vliv pouze vzájemný pohyb optických elementů, které vedou paprsky jednotlivými větvemi interferometru mezi jejich rozdělením a opětovným spojením. Vibrace laseru, fotodiody či jiných elementů vně této dráhy paprsků vliv na interferenci nemá. Kmitá-li celý interferometr vůči okolí, vzájemné kmity optických elementů vůči sobě mohou být zanedbatelné a interferenční obraz je tedy stabilní. Proto byl sestrojen miniaturní interferometr, který byl celý vložen dovnitř kryostatu. Umístění interferometru do kryostatu částečně eliminovalo i problém teplotních nehomogenit.

Héliový krystat v laboratoři laserové interferometrie

sulc3

U Mach-Zehnderova interferometru, používaného pro měření tenkých piezoelektrických vrstev, bylo nutné redukovat počet optických prvků. To si vyžádalo konstrukci nového typu interferometru [4,5], který je i patentován. Měřením teplotní závislosti piezoelektrických koeficientů se stalo naše pracoviště unikátním z celosvětového hlediska.

Nový, miniaturizovaný dvoupaprskový interferometr

sulc 6 sulc 7

V naší laboratoři jsou měřena posunutí, vyvolaná obráceným piezoelektrickým jevem, v rozmezí od 2.10-12 m do 10-5 m v rozsahu teplot 160 K až 330 K s užitím héliového kryostatu s uzavřeným cyklem, a v rozsahu 270 K až 450 K s pomocí vyhřívané komůrky. Dále jsou měřeny i elektro-optické koeficienty v teplotním rozsahu 100 K až 330 K.

Teplotní závislost piezoelektrických koeficientů d33 a d31 krystalu Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 – 29% PbTiO3 a Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 – 8% PbTiO3. Dobře jsou patrné fázové přechody mezi rhombohedrickou, tetragonální a kubickou fází krystalu.

graf

V laboratoři se měří celá škála vzorků. Keramiky na bázi PZT, dále krystaly Pb(Mg1/3Nb2/3)O3 – 29% PbTiO3 a Pb(Zn1/3Nb2/3)O3 – 8% PbTiO3, které jsou charakteristické mimořádně vysokými dielektrickými a piezoelektrickými koeficienty, kompozitní sloučeniny, tenké vrstvy PZT a celá řada jiných materiálů. Výsledky měření teplotních závislostí piezoelektrických koeficientů slouží základnímu výzkumu, kdy umožňují stanovit podíl vnějších a vnitřních příspěvků k piezoelektrickému jevu. Slouží také jako podklady při návrzích a optimalizaci jednotlivých aplikací piezoelektrických materiálů, realizaci piezoelektrických aktuátorů a senzorů. Laboratoř je zapojena do mezinárodního výzkumu, měření se provádí i pro řadu zahraničních institucí. Po vytvoření laboratoře a odzkoušení jednotlivých metodik měření se stala laboratoř významným místem i pro odbornou a vědeckou výchovu studentů, diplomantů i doktorandů.

Do budoucna svůj zájem soustředíme na výzkum piezoelektrických tenkých vrstev keramik PZT. Nyní se posuzuje kvalita tenkých vrstev, získaných odlišně modifikovanými technologiemi. Sledujeme také nelineární jevy. Zaměřujeme se i na měření rozložení deformací – profilu posunutí, vyvolaného piezoelektrickým jevem. Pro objemové piezoelektrické prvky určujeme piezoelektrické koeficienty při nízkých teplotách. Začínáme s měřením v okolí teplot fázových přechodů, zvláště s nízkými frekvencemi budícího pole (>1Hz), kdy se výrazně projevují nevlastní příspěvky k piezoelektrickému jevu, vyvolané pohybem doménových stěn. Doufáme, že získáme odpovědi nejen na mnoho ještě otevřených vědeckých otázek, ale že také přispějeme k aplikacím piezoelektrických materiálů v celé řadě moderních technologií.

Literatura

[1] Q.M.Zhang, W.Y.Pan, L.E.Cross, J. Appl. Phys., 63 (1988), 2492-2496
[2] W.Y.Pan, L.E.Cross, Rev. Sci. Instrum., 60 (1989), 2701-2705
[3] A.L.Kholkin, Ch.Wütchrich, D.V.Taylor, N.Setter, Rev. Sci. Instrum., 67 (1996), 1935-1941
[4] M.Šulc, L.Burianová, Jemná mechanika a optika, 10/2001, 338-343
[5] M.Šulc, L.Burianová, J.Nosek, Ann. Chim. Sci. Mat., 26 (2001), 43-48

Kontakt

Vedoucí katedry

Prof. Mgr. Jiří Erhart, Ph.D.
jiri.erhart@tul.cz
Tel: +420-48-535-3400

Sekretariát

Ludmila Sazamová
ludmila.sazamova@tul.cz
Tel: +420-48-535-3419

Adresa

Katedra fyziky na FP TUL, Studentská 2, 461 17 Liberec

současné umístění katedry fyziky: budova H, Voroněžská 1329/13, 460 01  Liberec I-Staré Město