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超声跟踪反常声光器件的优化设计研究

安磊  
【摘要】:本文对基于超声跟踪技术的反常声光器件的优化设计开展了系统研究。论文首先综述了声光器件及超声跟踪技术的原理、发展历程及其应用,并对两种常用的声光晶体——铌酸锂晶体和二氧化碲晶体的光学性质、声学性质以及声光性质进行了具体推导和计算,在此基础上对基于超声跟踪技术的反常声光器件的设计参数进行了优化设计研究,主要研究内容包括以下三个方面:(1)不同声光互作用模式下的铌酸锂反常声光器件的超声跟踪特性分析(2)基于阶梯换能器结构的反常声光器件的超声跟踪优化设计;(3)基于旋转声光互作用平面下的反常声光器件的超声跟踪优化设计及其特性分析三个部分。 论文首先对铌酸锂反常声光器件不同声光互作用模式下的超声跟踪特性进行了系统研究。通过求解晶体的克里斯托弗方程并结合反常声光互作用几何关系Dixon方程,在3dB带宽条件下对器件的设计参数进行了优化设计研究。具体得到了不同的声光工作模式下及换能器片数下器件的设计参数,并确定了器件中心频率随入射光角度以及超声波速的变化规律。 在阶梯结构换能器结构的反常声光器件优化设计中,分别对铌酸锂和二氧化碲反常声光器件的超声跟踪优化设计进行了具体研究。研究结果表明,采用阶梯换能器结构相比平面结构换能器可在3dB带宽内有效提高超声波的利用率,从而提高声光器件的性能。同时优化结果还表明,器件的中心频率除随入射光角度及超声波速正比变化外,还随换能器片数的增加而增加。 论文最后研究了基于旋转声光互作用平面下的超声跟踪反常声光器件的优化设计。通过在旋转坐标后的声光互作用内建立新的声光互作用几何关系,在实现器件3dB带宽优化设计的基础上,通过调整坐标系的旋转角度实现了倍频程带宽条件下的换能器片数的有效减少以及相应单片换能器设计长度的大幅增加。单片换能器长度的增加有效降低了基于超声跟踪技术的声光器件的换能器加工工艺难度,为基于超声跟踪技术的反常声光器件的实用化设计提供了新的设计思路和方法。


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