Приборы и техника эксперимента, 2019, № 6, стр. 82-89

1. ВВЕДЕНИЕ

Акустооптика (а.о.) – это управление параметрами оптического излучения ультразвуковыми волнами, распространяющимися в прозрачных средах [1, 2]. На практике акустический диапазон частот составляет от единиц до сотен мегагерц, а оптический – от ультрафиолета до десятков микрон. Хорошо изучено использование а.о. в анализаторах радиосигналов, приборах спектральной обработки оптических изображений, в оптических процессорах и др. Однако можно утверждать, что благодаря технологической революции в оптоэлектронике на сегодняшний день осталось только два практически значимых а.о.-направления: управление интенсивностью лазерного луча (модуляторы) и его угловым положением (дефлекторы). Принципиальными особенностями а.о.-приборов являются: возможность управления интенсивным лазерным излучением с плотностью мощности десятки и сотни киловатт на квадратный сантиметр, достаточно высокое быстродействие (вплоть до десятков наносекунд), отсутствие механически перемещаемых элементов, малые вносимые световые потери (единицы процентов), небольшие габариты и вес.

Акустооптические модуляторы используются для модуляции добротности лазеров, внешней модуляции излучения, а.о.-дефлекторы – для сканирования лазерного луча в системах обработки материалов и вывода изображений. Как пример, оригинальная страница зарубежного паспорта РФ изготавливается именно лазером с использованием а.о.-дефлектора (разработанного автором статьи).

Основным материалом современных а.о.-приборов является монокристалл парателлурита (TeO₂). Кристалл обладает феноменально большой величиной а.о.-качества, прозрачностью в широком диапазоне длин волн света, от 0.35 до 5 мкм, и высокой лучевой стойкостью. Развита технология роста и обработки больших однородных образцов (более 20 мм³). Закономерности акустооптического взаимодействия в кристалле TeO₂ и ряд важных реализаций на основе этого кристалла изучены и описаны весьма полно [3–8]. С теоретической и практической (технологической) сторон можно выделить две составляющие а.о.-прибора: собственно а.о.-кристалл и систему генерации ультразвука – пьезопреобразователь. Именно вторая и определяет в основном практически достижимые характеристики: максимальную эффективность и широкополосность, быстродействие, стабильность и др. Существенно, что именно с учетом возможностей преобразователя и рассчитывают реально достижимые параметры а.о.-прибора в целом.

Данная работа посвящена технологии создания широкополосного высокоэффективного пьезопреобразователя а.о.-ячейки – устранению ограничений, связанных с полосой акустического преобразования и возникающими тепловыми эффектами.

Первая часть данной работы связана с технологией изготовления акустического контакта в системе “пьезопреобразователь–а.о.-кристалл”. Совершенный широкополосный акустический контакт в дефлекторе расширяет частотный диапазон работы пьезопреобразователя, значительно упрощает электрическое согласование преобразователя с генератором, снижает потери высокочастотной электрической мощности в элементах согласования.

Вторая часть работы связана с разработкой метода отвода тепла от преобразователя с целью повышения уровня мощности акустической волны, генерируемой в а.о.-кристалле. Предельные параметры а.о.-устройств, как правило, ограничены максимальной подводимой к преобразователю электрической мощностью. Например, частотная полоса а.о.-дефлекторов и быстродействие а.о.-модуляторов возрастают при уменьшении длины взаимодействия света и звука (длины преобразователя), что требует увеличения управляющей мощности звука. При этом превышение допустимой электрической мощности приводит к нестабильности параметров приборов и даже к выходу их из строя.

2. АКУСТИЧЕСКИЙ СОГЛАСУЮЩИЙ КОНТАКТ МЕЖДУ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ LiNbO₃ И А.О.-КРИСТАЛЛОМ TeO₂

Для генерации объемных сдвиговых ультразвуковых волн, как правило, используется кристалл ниобата лития (LiNbO₃), характеризующийся большим коэффициентом электромеханической связи, малыми потерями на высоких частотах, стабильностью параметров и имеющий развитую технологию производства. В а.о.-приборах на основе TeO₂ используются пластины “косого” среза кристалла yxl/-17° (иное обозначение Y + 163), генерирующие чистую поперечную акустическую моду. Параметры данного среза кристалла: скорость звука ${{v}_{p}}$ = 4.5 ⋅ 10⁵ см/с, плотность ρ_p = 4.65 г/см³ и акустический импеданс Z_p = 22.2 ⋅ 10⁵ г/(с · см³) [9]. Соответствующие параметры кристалла ТеО₂: скорость звука v_k = 0.65 ⋅ 10⁵ см/с, плотность ρ_k = 6 г/см³ и акустический импеданс Z_k = 3.9 ⋅ 10⁵ г/(с · см³) [9].

Очевидно, что шестикратное различие акустических импедансов без акустического согласования не может обеспечить широкополосность возбуждения ультразвука. Классическое решение проблемы заключается в использовании четвертьволнового промежуточного слоя с импедансом Z_с = (Z_pZ_k)^1/2 [10], т.е. необходим материал с импедансом Z_с = 9.3 ⋅ 10⁵ г/(с · см³).

Существует ставшая общепринятой технология создания акустического контакта между LiNbO₃ и ТеО₂ – холодная вакуумная термокомпрессия с помощью индия. Пластину LiNbO₃ значительной толщины полируют с одной стороны. Пластину и кристалл ТеО₂ помещают в вакуумную камеру и на них наносят адгезионные слои и слой индия заданной толщины. Затем, не извлекая из камеры, совмещают пластину и ТеО₂ и сдавливают их. В вакууме не образуются оксидные пленки, поэтому индий диффундирует в единый и однородный слой. Существенно, что импеданс индия Z_I = (5.5–6.9) ⋅ 10⁵ г/(с · см³) отличен от оптимального, составляющего Z_с = 9.3 ⋅ 10⁵ г/(с · см³). Это является фактором, ограничивающим частотную полосу акустического согласования. Кроме того, компрессионная индиевая вакуумная технология достаточно сложна для широкого применения.

3. КЛЕЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТАКТА

Известное многие годы клеевое соединение пьезопреобразователя и а.о.-кристалла в последнее время было вытеснено вакуумным индиевым контактом и отнесено к разряду менее перспективных соединений. В данной работе будет показано, что это неверно, во всяком случае для частот менее 100 MГц. Разработанная технология представлена на примере изготовления а.о.-ячейки, которую можно рассматривать как основу для изготовления модуляторов и дефлекторов.

На рис. 1 представлена схема а.о.-ячейки.

Кристалл ТеО₂ и пьезопреобразователь изготавливались по отдельности. ТеО₂ оптически обрабатывался, просветлялся и не подвергался вакуумной металлизации. Процесс изготовления состоял в следующем. Изначально пластины LiNbO₃ размером 4 мм по высоте и 6 мм по длине шлифовались, полировались и доводились до необходимой толщины (в нашем случае 60 мкм). Затем на них вакуумной металлизацией наносились электроды из золота толщиной 0.1 мкм с адгезионным подслоем хрома. Важно, что в одном технологическом процессе одновременно изготавливалось достаточно большое число пластин LiNbO₃ (до 20 штук). На этом этап технологии, связанный с применением вакуума, заканчивался.

Принципиальной особенностью технологии является гальванический способ “наращивания” согласующего металлического слоя на одну поверхность пластины. Заключительный этап сборки дефлектора состоит в клеевом соединении преобразователя и кристалла. Исследовано применение различных металлов в качестве согласующего слоя. В итоге выбрано олово, поскольку оно обеспечивает максимальную широкополосность. В литературе приведены следующие параметры олова: плотность ρ_о = 7.3 г/см³, сдвиговая скорость ${{v}_{{\text{о}}}}$ = 1.67 ⋅ 10⁵ см/с и акустический импеданс Z_о = (8–12) ⋅ 10⁵ г/(с · см³). Однако указанные параметры относятся к металлу макроскопического объема, а не к тонкой пленке, поэтому потребовался экспериментальный подбор необходимой толщины. Экспериментальный анализ позволил сделать вывод, что олово предпочтительнее для применения, чем иные материалы, в частности индий.

Контроль оптимальной толщины согласующего акустического слоя проводился перманентно, непосредственно во время роста пленки, измерением электрического импеданса пьезопреобразователя – активной X- и реактивной Y-составляющей. Измерения начинались с момента, когда на преобразователе отсутствовало олово. Критерий, по которому принималось решение о завершении роста пленки, являлся одним из основных (оригинальным) аспектов технологической задачи.

На рис. 2 представлено семейство графиков электрического импеданса преобразователя. f₀ соответствует начальной частоте резонанса пластины без согласующего слоя.

На рис. 2а приведены электрические характеристики пьезопреобразователя без согласующего слоя. По мере роста пленки олова на частотной зависимости импеданса появляются два резонансных пика, как показано на рис. 2б. Итоговый результат, соответствующий оптимальной толщине пленки олова, представлен на рис. 2в.

Частотное положение резонансных пиков определяется толщинами пластины преобразователя и согласующей пленки олова. Высокочастотный пик связан с резонансом только пленки олова, а низкочастотный – с резонансом кристалла и нанесенной на него пленки. В результате проведенных исследований был экспериментально определен критерий окончания процесса роста пленки олова. Для этого необходимо выполнение следующего равенства: (f_в – f₁)/(f₁ – f_н) ≈ 0.6, где  f₁ – начальная резонансная частота пластины преобразователя без пленки, а  f_в и  f_н – частоты верхнего и нижнего резонансных пиков. Дополнительным критерием окончания процесса роста пленки является достижение примерно двукратного соотношения между активными частями импеданса низкочастотного и высокочастотного пиков.

Для склейки использовался двухкомпонентный высокотемпературный эпоксидный компаунд. Экспериментально установлено, что для частот менее 100 MГц при толщине клеящего слоя менее 0.5 мкм влияние на импеданс эпоксидного компаунда достаточно мало.

Электрический импеданс изготовленной а.о.-ячейки (без электрического согласования) приведен на рис. 3. Видно, что в заданной полосе акустических частот активная часть импеданса близка к 50 Ом.

Для электрического согласования пьезопреобразователя с 50-омным радиотрактом использовалась П-схема электрического фильтра, состоящая из двух индуктивностей и конденсатора. На рис. 4 представлен итоговый результат электрического согласования преобразователя с генератором радиосигнала – частотная зависимость коэффициента стоячей волны (КСВ). Видно, что в полосе частот не менее 30 МГц достигнуто хорошее согласование, КСВ < 1.5. Эксперимент показал, что дефлектор высокоэффективно работал в полосе частот от 15 до 48 МГц, а дифракционная эффективность на длине волны света 1.06 мкм была не ниже 90% [11].

4. ЖИДКОСТНАЯ АКУСТИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И ПОГЛОТИТЕЛЯ ТЕПЛА

Предельные параметры а.о.-устройств, как правило, ограничены максимальной, подводимой к преобразователю электрической мощностью, превышение которой допустимого уровня приводит к нестабильности параметров а.о.-приборов вплоть до выхода их из строя.

Охлаждение преобразователя путем непосредственного контакта его тыльной стороны с поглотителем тепла из меди, алюминия и т.д. неэффективно по следующей причине. Акустический импеданс меди равен 20.2 ⋅ 10⁵ г/(с · см²), а алюминия – 8.4 ⋅ 10⁵ г/(с · см²). Поскольку импеданс пьезопреобразователя намного ближе к импедансу поглотителя тепла, чем к импедансу ТеО₂, то значительная часть звуковой энергии будет распространяться именно в тело поглотителя, а не в а.о.-кристалл.

Идея метода охлаждения преобразователя состоит в том, чтобы соприкосновение тыльной стороны пьезопреобразователя и поглотителя тепла осуществлять через слой жидкого контакта [12]. В силу значительного различия комплексного импеданса для сдвиговых колебаний жидкости и твердого тела (пьезопреобразователя) обеспечивается акустическая изоляция последнего от поглотителя при хорошей передаче в него тепла. На рис. 6 показана схема такой а.о.-ячейки.

Ниже рассматривается вопрос о соотношении тепловых и акустических свойств системы “пьезопреобразователь–тонкий слой жидкости–торец поглотителя”. Основные тепловые характеристики жидкостного слоя можно найти из уравнения для стационарной теплопроводности [13]: Φ = χSΔT/d, где Ф – мощность теплового потока при разности температур ΔT на границах жидкости; χ – коэффициент теплопроводности жидкости; S – поперечное сечение жидкостного слоя.

На рис. 7 представлены результаты расчета по этой формуле, при этом левая ордината соответствует зависимости ΔT(d) при Ф = 1 Вт, а правая – Ф(d) при ΔT = 10°C и S = 3 × 7 мм².

Для анализа были выбраны три жидкости, параметры которых хорошо известны: этиленгликоль, глицерин и вода. Согласно графикам на рис. 7, для переноса от пьезопреобразователя тепловых потоков мощностью несколько ватт при разности температур в несколько десятков градусов между пьезопреобразователем из ниобата лития и поглотителем тепла толщина слоя жидкости не должна превышать нескольких десятков микрометров. Для таких толщин, наряду с учетом поглощения звука жидким слоем, следует оценить влияние процессов, связанных с отражением звуковой волны от торца поглотителя.

Рассмотрим уменьшение интенсивности звука за счет влияния системы “жидкость–торец поглотителя”, а именно величину потерь R:

где I₁ и I₀ – амплитуды волн (см. рис. 6), ${{v}_{0}}$ и ${{v}_{1}}$ – акустические скорости падающей и отраженной волн соответственно.

При использовании импедансной методики [14] записывается соотношение между амплитудами колебаний скоростей движения частиц падающей волны v₀ и результирующей волны $~{{v}_{1}}$ (см. рис. 6):

Здесь $Z_{{in}}^{ \pm }$ = Z_i ± Z_n, где i, n = 1, 2, 3; Z₁ и Z₃– импеданс для сдвиговой акустической волны материалов преобразователя и поглотителя тепла соответственно. При анализе можно пренебречь затуханием звука в этих материалах и учесть, что Z₂ = = (1 + ј)(Gρω/2)^1/2 – сдвиговый импеданс жидкости; ω – угловая частота звука; G и ρ – сдвиговая вязкость жидкости и ее плотность; ψ = exp[2kd(1 – ‒ ј)] – фазовый множитель; k = (ρω/G2)^1/2 – волновой вектор сдвиговых колебаний в жидкости.

Необходимо отметить, что при анализе учитывались процессы релаксации вязкости, которые, очевидно, при определенных частотах звука будут влиять на величину коэффициента потерь R [15, 16]. Для глицерина и этиленгликоля предельная частота находится в диапазоне 500 ГГц, для воды – существенно ниже, порядка 100 ГГц [17].

На рис. 8 представлены зависимости R(d) на частоте звука 30 MГц, рассчитанные по формулам (1) и (2). Согласно рис. 8, при малых зазорах d влияние торца поглотителя тепла на величину потерь акустической энергии весьма существенно, а при d > 5–10 мкм такого влияния практически нет. Абсолютная величина потерь, обусловленных акустической нагрузкой жидкостью на данной частоте, невелика для глицерина (~4%) и мала для воды (~0.2%). Наблюдаемый минимум на зависимости потерь акустической энергии от толщины слоя жидкости, по-видимому, связан с тем, что данная толщина эквивалентна изолирующему размеру λ/4. Однако столь малые зазоры трудны для практической реализации.

На рис. 9 показано изменение предельного значения коэффициента R при d → ∞ в зависимости от частоты.

Вода обеспечивает весьма малые дополнительные потери в частотном диапазоне вплоть до 1 ГГц, а в низкочастотном диапазоне пригодны и органические жидкости, хотя в ряде случаев могут иметь значение их диэлектрические свойства.

На рис. 10 представлены результаты измерений КСВ преобразователя а.о.-ячейки со свободной тыльной стороной (кривая 1) и с жидкостным охлаждением (кривая 2) (глицерин).

Данные измерения показывают степень изменения электрического импеданса пьезопреобразователя и, следовательно, акустической мощности, вводимой в а.о.-кристалл. Из определения КСВ как связи между электрической мощностью, поступающей в нагрузку (в пьезопреобразователь), и отраженной следует, что в данном частотном диапазоне дополнительный “отток” акустической мощности в поглотитель тепла не превышает 4%, что достаточно хорошо согласуется с проведенным расчетом.

5. ВЫВОДЫ

1. Предложен метод изготовления широкополосных а.о.-устройств на основе кристалла TeO₂ и пьезопреобразователя из LiNbO₃ с использованием олова в качестве согласующего акустического слоя между ними. Оловянный согласующий слой наносится гальваническим путем. В процессе роста согласующего слоя осуществляется контроль электрических параметров преобразователя. Установлены количественные критерии окончания технологического процесса роста слоя: соотношение частот резонансных пиков и величин активной части импеданса низкочастотного и высокочастотного. Метод акустического согласования имеет общий характер и применим к другим акустическим и а.о.-материалам.

2. Предложен метод отвода тепла от преобразователя а.о.-ячейки, позволяющий существенно повысить уровень управляющей акустической мощности, вводимой в а.о.-ячейку. В основе метода – использование тонкого слоя жидкости между тыльной стороной пьезопреобразователя и поглотителем тепла, что возможно в силу значительного различия комплексного акустического импеданса для сдвиговых колебаний жидкостей и твердого тела пьезопреобразователя. Показано, что в частотном диапазоне в несколько десятков мегагерц при толщинах жидкостного слоя, превышающих 5–10 мкм, влияние последнего на акустические свойства пьезопреобразователя незначительно и не превышает 4%. Экспериментально установлено, что использование теплоотвода примерно в 5 раз снижает тепловые эффекты, вызванные нагревом пьезопреобразователя.

3. Изготовлен широкополосный а.о.-дефлектор с полосой частот высокоэффективной дифракции 30 МГц и центральной частотой 37 МГц.