聲光材料.ppt

聲光材料 講解人 張吉夫制作人 成林海王建光孫宗涵 1922年布里淵在理論上預(yù)言了聲光衍射 1932年盧卡斯和比夸特分別觀察到了聲光衍射現(xiàn)象 1966年到1976年期間 聲光衍射理論 新聲光材料及高性能聲光器件的設(shè)計(jì)和制造工藝都得到迅速發(fā)展 聲光材料的發(fā)展史 聲光材料是具有聲光效應(yīng)的材料 當(dāng)聲波在介質(zhì)中通過時(shí) 由于光彈效應(yīng) 使介質(zhì)的疏密隨聲波振幅的強(qiáng)弱而產(chǎn)生相應(yīng)的周期性的疏密變化 它對(duì)光的作用如同條紋光柵 當(dāng)光通過這一受到超聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象 這種現(xiàn)象稱之為聲光效應(yīng) 聲光材料的定義 應(yīng)變材料 F F 光源 非常光 常光 聲光材料的原理 聲光效應(yīng)就是研究光通過聲波擾動(dòng)的介質(zhì)時(shí)發(fā)生散射或衍射的現(xiàn)象 由于光彈效應(yīng) 當(dāng)超聲縱波以行波形式在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)使介質(zhì)折射率產(chǎn)生正弦或余弦規(guī)律變化 并隨超聲波一起傳播 當(dāng)激光通過此介質(zhì)時(shí) 就會(huì)發(fā)生光的衍射 即聲光衍射 衍射光的強(qiáng)度 頻率 方向等都隨著超聲波場(chǎng)而變化 其中衍射光偏轉(zhuǎn)角隨超聲波頻率的變化現(xiàn)象稱為聲光偏轉(zhuǎn) 衍射光強(qiáng)度隨超聲波功率而變化的現(xiàn)象稱為聲光調(diào)制 聲光材料的分類 聲光材料的分類 聲光材料有液態(tài)和固態(tài)之分 在液態(tài)材料中 水被認(rèn)為是較好的聲光作用介質(zhì) 早期 水作為偏轉(zhuǎn)介質(zhì)起了重要的作用 目前 由于一系列新的固體聲光介質(zhì)材料的出現(xiàn) 水作了實(shí)際使用的價(jià)值 其他液態(tài)材料則因?qū)β暡ê蜔岬淖饔靡子诋a(chǎn)生擾動(dòng)而不能保持穩(wěn)定的光學(xué)性能和聲衰減過大而使得液態(tài)材料應(yīng)用較少 玻璃是最普通也是最常用的聲光介質(zhì)材料 與其他聲光介質(zhì)相比較 玻璃介質(zhì)具有某些突出的優(yōu)點(diǎn) 1 玻璃在工業(yè)生產(chǎn)上易于批量生產(chǎn) 可獲得形狀各異的大尺寸塊體 經(jīng)退火后 其光學(xué)均勻性良好 光損耗小 容易加工 價(jià)格低廉 2 聲光玻璃材料 聲光玻璃材料 優(yōu)點(diǎn) 制造方便 體積大 光學(xué)均勻性好 成本低廉缺點(diǎn) 在可見光譜區(qū) 難以獲得折射率大于2 1的透明玻璃 玻璃的光彈系數(shù)都小 聲光晶體材料 單晶介質(zhì)是最大的一類聲光材料 許多晶體聲光介質(zhì)的聲衰減系數(shù)都相當(dāng)小 晶體材料很適宜用來制造頻率高于100MHz的高效率聲光器件 單晶介質(zhì)材料的物理性質(zhì)是各向異性的 這樣 就可以通過選擇聲模和光模的最佳組合來獲得從材料的平均性質(zhì)所預(yù)想不到的有益的聲光性能 晶體介質(zhì)材料 與玻璃質(zhì)材料相比較 其缺點(diǎn)是 晶體生長技術(shù)相當(dāng)復(fù)雜 某些晶體還難于獲得實(shí)用的大晶體 生產(chǎn)成本介高 因此新晶體的研究周期長 耗資大 其中常用的材料為 Te02 PbMo04等等 下面詳細(xì)介紹 二氧化碲 Te02 聲光晶體材料 二氧化碲單晶屬四方晶系 具有變形金紅石結(jié)構(gòu) 單晶具有壓電 聲學(xué)和光學(xué)等多種性能 二氧化碲 Te02 的生產(chǎn)工藝 TeO2單晶用常規(guī)的提拉法在氧氣氛中生長 典型的生長條件如下 生長方向 110 或 001 提拉速度 1 2mm h晶體轉(zhuǎn)速 20一60r min溫度梯度 80 100 cm氧氣流量 600 750mL min冷卻速度 50 80 h 二氧化碲 Te02 的生產(chǎn)工藝 生產(chǎn)過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)1 TeO2在450 左右開始升華 在熔點(diǎn)附近蒸氣壓較高 揮發(fā)嚴(yán)重 2 由于TeO2熔點(diǎn)低 粘度大 晶體中易產(chǎn)生氣泡和云層 適當(dāng)調(diào)節(jié)拉速和轉(zhuǎn)速可以避免這些缺陷 3 沿方向生長的晶體容易產(chǎn)生線狀缺陷 若沿方向生長 并選擇優(yōu)質(zhì)籽晶和降低溫度波動(dòng) 則可以減少這種缺陷的產(chǎn)生 鉬酸鉛 PbMoO4 聲光單晶材料 鉬酸鉛 PbMoO4 單晶屬四方晶系 具有白鎢礦型結(jié)構(gòu) 鉬酸鉛 PbMoO4 的生產(chǎn)工藝 PbMoO4單晶以高純PbO和MoO3為原料 按化學(xué)計(jì)量配比 用常規(guī)的提拉法生長 典型生長條件如下 溫度梯度 40 100 cm提拉速度 3 6mm h晶體轉(zhuǎn)速 20 40r min生長氣氛 大氣 聲光材料的性能及影響因素 一種優(yōu)良的聲光材料 須具備下列條件 1 在使用光波范圍內(nèi)有良好的光學(xué)質(zhì)量和透明度 2 容易獲得大的尺寸 化學(xué)穩(wěn)定好 機(jī)械強(qiáng)度高 3 光學(xué)和聲學(xué)衰減低 4 物理常數(shù)特別是聲速的溫度系數(shù)低 5 聲光優(yōu)值高 應(yīng)用領(lǐng)域 早期聲光效應(yīng)僅用于物理性質(zhì)的測(cè)量 隨著激光和超聲波技術(shù)的發(fā)展 聲光材料在光電子學(xué)方面得到了廣泛的應(yīng)用 主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面 聲光調(diào)制器 改變超聲波的強(qiáng)度便可改變經(jīng)聲光材料衍射的衍射光束強(qiáng)度 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)衍射光的強(qiáng)度調(diào)制 聲光偏轉(zhuǎn)器 改變聲波的驅(qū)動(dòng)頻率便可改變衍射光束的方向 用這一原理可制成高速偏轉(zhuǎn)光束的聲光偏轉(zhuǎn)器 聲光濾波器 聲光衍射原理在許多方面與透射型衍射光柵相似 而聲光光柵常數(shù)可以用電控改變 完全有可能制成電子調(diào)諧分光計(jì) 聲光器件在信息方面也有重要應(yīng)用 如脈沖壓縮 光學(xué)相關(guān)器和射頻頻譜分析等 展望及研發(fā) 在過去的多年的時(shí)間里 由于許多介質(zhì)材料的聲光性能不斷提高和新聲光介質(zhì)的出現(xiàn) 促