聲光可調(diào)濾光器的輻照特性研究

李 鈺

(北京理工大學(xué) 光電學(xué)院,北京 100081)

0 引言

聲光可調(diào)濾光器(簡(jiǎn)稱“濾光器”)通過(guò)改變射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率來(lái)調(diào)整輸出衍射光的波長(zhǎng),其具有體積小,質(zhì)量小,可編程,響應(yīng)快速以及較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力等特點(diǎn),是深空探測(cè)光譜成像/分析領(lǐng)域應(yīng)用中的重要分光器件[1]。

深空探測(cè)是指脫離地球引力場(chǎng),進(jìn)入太陽(yáng)系空間和宇宙空間對(duì)行星及空間物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)。作為遙感、天文觀測(cè)、行星科學(xué)等學(xué)科的重要分支,從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)看,深空探測(cè)是人類研究宇宙的起源與演變,認(rèn)識(shí)地球環(huán)境的形成和演變的重要手段,探測(cè)和開發(fā)深空環(huán)境對(duì)緩解日益加劇的人類人口壓力以及不斷開采消耗的地球非可再生資源的現(xiàn)狀具有十分重要的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)意義[2]。

有關(guān)深空探測(cè)會(huì)遇到空間輻射問(wèn)題的研究較少,僅2011年徐睿等對(duì)聲光可調(diào)濾光器開展了輻射總劑量1.0×104rad(Si)的實(shí)驗(yàn)[3]?？紤]到深空探測(cè)應(yīng)用的需要,本文對(duì)聲光可調(diào)濾光器開展了更大劑量的中子輻照和電離輻照兩方面的實(shí)驗(yàn)研究。

1 聲光可調(diào)濾光器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)聲光互作用理論,濾光器在滿足動(dòng)量匹配的條件下,衍射光波長(zhǎng)λ0與聲波頻率fa、聲速va、入射角θi和衍射光在晶體內(nèi)的衍射角θd之間的關(guān)系[4]:

(1)

由式(1)可知,λ0與fa成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,如圖1所示,輸入任意一個(gè)聲波頻率都能濾出一個(gè)對(duì)應(yīng)的光波長(zhǎng)。

圖1 光波長(zhǎng)與聲頻的關(guān)系

濾光器是反常布喇格衍射模式,衍射光的衍射效率[5]為

(2)

式中:M2為氧化碲晶體的聲光優(yōu)值;L為聲光互作用長(zhǎng)度;H為光孔徑;k為換能器機(jī)電耦合系數(shù);μ為1 GHz聲波在距離換能器10 mm處的聲波衰減系數(shù);m為光到換能器的距離。

聲光可調(diào)濾光器由聲光塊體、鋁合金殼體、高頻插座、貼片電感、貼片電容和印制電路版等組成。器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。聲光塊體是濾光器的核心部件,它由聲光介質(zhì)氧化碲晶體、鈮酸鋰換能器和金屬焊接層等組成,如圖3所示,焊接層是位于聲光介質(zhì)氧化碲與鈮酸鋰換能器之間的金屬膜層。工作時(shí),射頻信號(hào)輸入到聲光濾光器器件內(nèi),器件內(nèi)的換能器再將輸入的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲振動(dòng),超聲振動(dòng)通過(guò)焊接層被耦合到聲光介質(zhì)內(nèi)形成超聲波,入射光與超聲波發(fā)生聲光互作用進(jìn)而產(chǎn)生衍射光。器件工作在真空環(huán)境下,以傳導(dǎo)方式散熱為主,輻射方式散熱為輔,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可保證安裝面的平整度,利于器件外殼緊貼整機(jī),通過(guò)整機(jī)進(jìn)行傳導(dǎo)散熱,同時(shí)安裝面應(yīng)具有一定的厚度,在保證機(jī)械強(qiáng)度的情況下,減小器件的體積、質(zhì)量。

圖2 器件結(jié)構(gòu)圖

圖3 聲光塊體

2 輻照實(shí)驗(yàn)條件

濾光器中的鋁合金殼體、高頻插座、低頻插座、匹配元件(貼片電容和線繞電感)和印制電路版等對(duì)輻照不敏感,因此重點(diǎn)研究氧化碲晶體、鈮酸鋰換能器及濾光器器件(整機(jī))的輻照特性。開展的輻照實(shí)驗(yàn)分為中子輻射試驗(yàn)和電離總劑量輻射試驗(yàn)兩項(xiàng),具體要求如下:

2.1 中子輻射試驗(yàn)

a) 中子注量: 1.5×1012n/cm2(1MEV等效電子);

b) 中子注量率:(0.3～1)×109n/cm2/s;

c) 試驗(yàn)溫度:室溫;

d) 產(chǎn)品安裝:按要求把樣品安裝在試驗(yàn)平臺(tái)上;

e) 輻射試驗(yàn)地點(diǎn):西安;

f) 性能檢測(cè):在重慶完成輻射試驗(yàn)前后的性能檢測(cè)。

2.2 電離總劑量輻射試驗(yàn)

a) 輻射源:鈷60γ源;

b) 總劑量:6×103Gy(Si);

c) 輻射劑量率:0.5 Gy(Si)/s;

d) 試驗(yàn)溫度:室溫;

e) 產(chǎn)品安裝:按要求把樣品安裝在試驗(yàn)平臺(tái)上;

f) 輻射試驗(yàn)地點(diǎn):西安;

g) 性能檢測(cè):在重慶完成輻射試驗(yàn)前后的性能檢測(cè)。

3 氧化碲晶體的輻照特性

氧化碲晶體屬于422點(diǎn)群四方晶系,密度為5 990 kg/m3,透光區(qū)是 0.35～5 μm。氧化碲晶體外形如圖4所示,尺寸為32 mm×17 mm×10 mm。

圖4 X線衍射分析用的氧化碲晶體

高分辨X線衍射(HRXRD)是一種表征晶體結(jié)晶質(zhì)量的常用方法。高分辨X線衍射通過(guò)對(duì)入射X射線束進(jìn)行能量和發(fā)散角度上的限制,使其集中在樣品上一個(gè)狹小的區(qū)域內(nèi),同時(shí)輔以高精度、高分辨率的測(cè)角儀,則可測(cè)定樣品微觀結(jié)構(gòu)上的變化。通過(guò)搖擺曲線的峰形和半高寬可以分析晶體的結(jié)晶完整性和應(yīng)力情況:晶體內(nèi)部的小角晶界等缺陷會(huì)導(dǎo)致?lián)u擺曲線出現(xiàn)多峰,晶體中的應(yīng)力會(huì)引起搖擺曲線變寬,因此采用高分辨X線衍射技術(shù)能對(duì)晶體內(nèi)部的變化情況進(jìn)行分析。

對(duì)T2#和T3#做中子輻照實(shí)驗(yàn),測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后的性能,再做電離總劑量輻照實(shí)驗(yàn),測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后的性能。測(cè)試結(jié)果如圖5、6所示。由圖5可見,輻照試驗(yàn)前后衍射峰位一致,說(shuō)明氧化碲晶體的晶格常數(shù)不變,即晶體基本屬性不變。由圖6可見,輻照試驗(yàn)后搖擺曲線峰值半寬加大,說(shuō)明氧化碲吸收的能量使晶體內(nèi)部應(yīng)力增大。綜上所述,輻照沒(méi)有改變晶格常數(shù)即晶體結(jié)構(gòu),但氧化碲吸收的能量使晶體內(nèi)部應(yīng)力增大。

圖6 氧化碲輻照試驗(yàn)前后的搖擺曲線

4 鈮酸鋰換能器的輻照特性

鈮酸鋰(LINbO3)在室溫下屬于鐵電相,三方晶系,是常用的高頻換能器材料,其作用是將電功率轉(zhuǎn)變成聲功率,從而在聲光介質(zhì)中建立起超聲場(chǎng)。鈮酸鋰換能器外形如圖7所示,尺寸為32.5 mm×11.8 mm×2 mm。

圖7 X線衍射分析用的鈮酸鋰換能器

4.1 采用X線技術(shù)分析鈮酸鋰換能器變化情況

采用X線衍射技術(shù)分析換能器的內(nèi)部變化的實(shí)驗(yàn)采用的鈮酸鋰換能器編號(hào)L2#,對(duì)其先做中子輻照實(shí)驗(yàn),測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后的性能,再做電離總劑量輻照實(shí)驗(yàn),測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后的性能。測(cè)試結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 鈮酸鋰輻照試驗(yàn)前后的X線衍射峰

由圖8可見,輻照試驗(yàn)前后衍射峰位一致,沒(méi)有發(fā)生變化,說(shuō)明鈮酸鋰換能器的晶格常數(shù)不變。由圖9可見,輻照射試驗(yàn)后搖擺曲線半峰寬增大,說(shuō)明鈮酸鋰吸收的能量?jī)?nèi)部應(yīng)力增大。綜上所述,中子輻射試驗(yàn)沒(méi)有改變鈮酸鋰換能器的晶格常數(shù)即晶體結(jié)構(gòu),但鈮酸鋰換能器吸收的輻射能量使晶體質(zhì)量變差、內(nèi)部應(yīng)力增大。

圖9 鈮酸鋰輻照試驗(yàn)前后的搖擺曲線

4.2 測(cè)量換能器機(jī)電耦合系數(shù)的相對(duì)變化

為了測(cè)量鈮酸鋰換能器(X切向,激發(fā)剪切波)的機(jī)電耦合系數(shù),需要在鈮酸鋰換能器的兩個(gè)面鍍上金電極。如圖10所示,同一片換能器上制作了k6、k7和k83個(gè)電極。換能器頻率特性測(cè)量示意圖如圖11所示。

圖10 鍍了電極的鈮酸鋰換能器

圖11 換能器頻率特性測(cè)量示意圖

按照下式計(jì)算換能器的機(jī)電耦合系數(shù)[6]:

(3)

式中:fs為諧振頻率;fp為反諧振頻率。

中子輻照實(shí)驗(yàn)前后酸鋰換能器測(cè)量數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果參見表1。由表可知,換能器k6、k7和k8的機(jī)電耦合系數(shù)實(shí)測(cè)值約0.64,接近理論值0.68;中子輻照使鈮酸鋰換能器(X切型)的機(jī)電耦合系數(shù)降低了約1.26%。

表1 中子輻照對(duì)鈮酸鋰換能器的影響

電離輻照實(shí)驗(yàn)前后酸鋰換能器測(cè)量數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果參見表2。由表可知,換能器k6、k7和k8機(jī)電耦合系數(shù)實(shí)測(cè)值約0.63,接近理論值0.68;電離輻照使鈮酸鋰換能器(X切型)的機(jī)電耦合系數(shù)降低了約0.86%。

表2 電離輻照對(duì)鈮酸鋰換能器的影響

5 濾光器器件的輻照特性

工作頻率(光波長(zhǎng))、衍射效率和光譜分辨率是聲光濾光器最重要的技術(shù)指標(biāo),對(duì)這些性能指標(biāo)開展了抗輻射特性研究。

5.1 濾光器的工作頻率與衍射效率

聲光可調(diào)濾光器的濾光特性是:濾出的光波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此,測(cè)量濾光器的驅(qū)動(dòng)頻率能分析聲光濾光器的濾光特性。由于聲光濾光器的驅(qū)動(dòng)頻率與光的入射角有關(guān),為了準(zhǔn)確測(cè)量濾光器的頻率特性,我們采用激光進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)試框圖如圖12所示,測(cè)試激光器分為1 064 nm激光器、1 319 nm激光器、1 550 nm激光器和2 mm激光器4種。濾光器分為高頻段和低頻段兩個(gè)輸入端口,高頻段采用1 064 nm激光器和1 319 nm激光器測(cè)量,低頻段采用1 550 nm激光器和2 mm激光器測(cè)量。

圖12 衍射效率測(cè)試框圖

測(cè)試方法:開啟激光器、直流穩(wěn)壓電源、光功率計(jì)和計(jì)算機(jī),激光器預(yù)熱20 min,調(diào)整器件的位置角度,使激光垂直從通光孔中心穿過(guò),再調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的工作頻率,使衍射光最強(qiáng)(記錄工作頻率),用光功率計(jì)測(cè)試衍射光的功率P1;關(guān)閉直流穩(wěn)壓電源,用光功率計(jì)測(cè)試0級(jí)光的功率P0。其衍射效率η為

(4)

用4種激光器分別測(cè)試濾光器F1與F2,測(cè)得頻率特性見表3,衍射效率見表4。由表3可見,對(duì)于同一光波長(zhǎng),輻照實(shí)驗(yàn)前后的工作頻率變化量非常小,考慮到測(cè)量誤差,可以認(rèn)為工作頻率無(wú)變化。根據(jù)濾光器工作頻率與光波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,工作頻率無(wú)變化,則濾出的光波長(zhǎng)也無(wú)變化,濾光功能正常。

表3 濾光器輻照前后的頻率特性

表4 濾光器輻照前后的衍射效率特性

由表4可見,中子輻照與電離輻照實(shí)驗(yàn)后,衍射效率降低了約2%,這與前面分析的聲光介質(zhì)質(zhì)量變差、換能器機(jī)電耦合系數(shù)降低相吻合。

5.2 濾光器光譜分辨率變化情況

光譜分辨率也是濾光器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),采用專用的聲光濾光器性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試光譜分辨率,測(cè)試框圖如圖13所示。

圖13 聲光濾光器性能測(cè)試系統(tǒng)框圖

光譜分辨率測(cè)試結(jié)果見表5。測(cè)試系統(tǒng)光源使用iHR320型單色儀,光柵600 g/mm,狹縫0.3 mm×0.3 mm,色散常數(shù)2.74 nm/mm,這使光譜分辨率存在±1 nm的測(cè)試誤差。若考慮此測(cè)試誤差,則可認(rèn)為光譜分辨率實(shí)驗(yàn)前后未發(fā)生明顯變化。

6 實(shí)驗(yàn)分析

濾光器在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選用對(duì)輻照不敏感的材料,聲光介質(zhì)氧化碲晶體和鈮酸鋰換能器是必須采用的材料。

氧化碲晶體在受到中子輻照與電離輻照后,其晶格常數(shù)不變,雖然內(nèi)部應(yīng)力增大,但其濾光功能正常,濾出光譜的光譜分辨率未發(fā)生明顯變化,僅頻率特性有細(xì)微變化:中子輻照存在使工作頻率增加的趨勢(shì),電離輻照存在使工作頻率減小的趨勢(shì)。根據(jù)式(1)推算,中子輻照使濾出的光波長(zhǎng)減小了約0.3 nm,相對(duì)變化量降低了約0.02%;電離輻照使濾出的光波長(zhǎng)增加了約0.03 nm,相對(duì)變化量增加了約0.003%,這個(gè)變化非常小,通常情況下可以忽略不計(jì)。

鈮酸鋰換能器在受到中子輻照與電離輻照后,其晶格常數(shù)不變,雖然內(nèi)部應(yīng)力增大,但其將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)的功能正常,僅機(jī)電耦合系數(shù)有降低的趨勢(shì):中子輻照使機(jī)電耦合系數(shù)降低了約1.26%,電離輻照使機(jī)電耦合系數(shù)降低了約0.86%。

輻照實(shí)驗(yàn)后,濾光器衍射效率下降了約2%,這與氧化碲質(zhì)量變差、換能器機(jī)電耦合系數(shù)降低相吻合。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)濾光器及濾光器中的兩個(gè)關(guān)鍵材料——氧化碲晶體與鈮酸鋰換能器進(jìn)行了中子輻照和電離輻照實(shí)驗(yàn),并對(duì)比分析了輻照實(shí)驗(yàn)前后的性能變化情況。實(shí)驗(yàn)表明,中子輻照和電離輻照對(duì)氧化碲晶體、鈮酸鋰換能器及濾光器的影響都非常小,因此,濾光器能較好地適應(yīng)深空探測(cè)中的輻照條件,是深空探測(cè)光譜成像/分析領(lǐng)域應(yīng)用中理想的分光器件。