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声光互作用特性研究

王亚雄  
【摘要】:当光波通过有超声波作用的介质时,光波和声波在介质中的互作用可以产生类似于光栅衍射的“超声衍射”,利用声波和光波在介质中的这种互作用规律,一方面可以用超声波控制光束的频率、方向和强度,另一方面,也可以将其它信号转换为光信号进行分析。围绕这两个方面的应用,可以制作成各种用途的声光器件,尤其在20世纪60年代激光问世之后,声光器件在激光控制和光信号处理方面得到了很大的发展,并逐渐深入到军事和民用的各个领域。为了提高声光器件的性能,很多国家投入了大量的人力物力对声光互作用特性进行研究,研究工作主要围绕四方面:一是对声光在介质中的互作用理论的研究;二是高性能声光互作用材料和声光器件的开发;三是用于产生超声波的100MHz或更高频率压电换能器的理论和工艺的研究;四是对声光器件应用领域的拓展。 本文从理论和实验方面对声光互作用的特性做了以下几个方面的研究: (1)从声波和光波在介质中的耦合波方程出发,利用动量匹配和动量失配分析了介质中的声光互作用规律,得出了声光正常布拉格衍射时的声光偏转和声光调制特性。对36°Y切LN/PM声光器件进行了实验研究,得出了其声光偏转和声光调制特性曲线,实验所得结果与理论基本吻合。但实验所得声光衍射的效率并不能达到理论上的100%,其原因主要有声光作用区有限、超声波功率不能足够大、光路有损耗等。 (2)对厚度振动的压电片进行理论分析,推导了厚度振动压电片的频率方程。在厚度振动压电换能器用于声光器件时,结合图形分析了在各镀层均为声学薄的情况下,声光器件电导的频率特性以及换能器损耗的频率特性。 对声光器件电导特性曲线的分析结果表明,在声光器件的相对阻抗z_(0m)保持不变时,随着压电层的机电耦合系数k增大,输入电导也增大;在声光介质和压电层选取不同材料时,电导特性有明显变化,当器件的相对阻抗z_(0m)接近于1时,电导随频率的变化比较稳定,但当z_(0m)远离1时,电导随频率的变化很不稳定。由此得出结论,为保证输入电导稳定,声光器件的相对声阻抗应满足z_(0m)≈1。 对声光器件换能器损耗的特性曲线分析结果表明,k值对于换能器损耗影响较大,k对于换能器带宽也有一定影响,当k较小时,换能器损耗较大,换能器带宽较小;换能器的带宽则主要取决于声光器件的相对阻抗z_(0m),在z_(0m)≥1时,换能器带宽较大,但当z_(0m)太大时,会在低频端产生峰值。由此得出结论,为保证换能器


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