一種高功率密度聲光器件

王曉新，楊 濤，曹家強(qiáng)，張澤紅，吳中超，劉 玲

(中電科技集團(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

聲光器件是基于聲光效應(yīng)研制的一類光電器件，通過電調(diào)諧的方式可實(shí)現(xiàn)對光信號的強(qiáng)度、相位、頻率的調(diào)制及光束偏轉(zhuǎn)和濾光功能。聲光器件因其自身優(yōu)勢在現(xiàn)代軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多整機(jī)和系統(tǒng)對聲光器件提出了新的使用需求，主要體現(xiàn)在3方面：

1)工作波長超越了以往可見光和近紅外的范疇，向更長的波段發(fā)展。

2)要求器件具有更高的衍射效率。

3)要求體積更小。

根據(jù)聲光效應(yīng)理論，在一定條件下滿足前兩項(xiàng)要求，需增加聲光器件的驅(qū)動(dòng)功率。增加驅(qū)動(dòng)功率，減小體積，意味著聲光器件功率密度的大幅提升。本文介紹了一種高功率密度聲光器件，其功率密度達(dá)到了125.0 W/cm2。

1 原理

聲光器件的基本原理如圖1所示，射頻驅(qū)動(dòng)信號通過表電極和鍵合層施加在壓電換能器上，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的超聲波，超聲波經(jīng)鍵合層耦合進(jìn)入聲光介質(zhì)形成折射率光柵，當(dāng)激光以一定角度入射到聲光介質(zhì)內(nèi)時(shí)，將發(fā)生聲光互作用，產(chǎn)生衍射光。

圖1 聲光器件基本原理

在圖1所示的聲光互作用中，聲波矢量、輸入光矢量、衍射光矢量需滿足動(dòng)量匹配條件，衍射光的相對強(qiáng)度[1]，即衍射效率η為

(1)

式中：λ為光波長；M2為聲光介質(zhì)的聲光優(yōu)值；L為電極長度；Pa為超聲波功率；H為電極寬度。

聲光器件的功率密度(ε)為施加在壓電層單位有效工作面積上的射頻功率，可由下式計(jì)算：

(2)

式中P為驅(qū)動(dòng)功率。

2 器件設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)

聲光器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，壓電層即為通常所說的換能器，通過鍵合工藝與聲光介質(zhì)結(jié)合在一起，1～4層采用真空鍍膜的方式得到，各鍍層互相平行，它們對平面波傳播的影響類似于傳輸線段。表電極1和中間金屬層作為電極驅(qū)動(dòng)壓電層，焊接層3的作用是把壓電層產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)耦合到聲光介質(zhì)中，電極層2、4是打底層，在制備焊接層前使鍵合面表層金屬化，以利于后續(xù)膜層的制備和鍵合。壓電層和聲光互作用介質(zhì)之間的2～4層統(tǒng)稱為鍵合層[2]。

圖2 器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

在聲光器件工作時(shí)，鍵合層將產(chǎn)生熱損耗，隨著器件驅(qū)動(dòng)功率的增加，器件功率密度相應(yīng)提高，鍵合層產(chǎn)生的熱量急劇增加，溫度快速上升。大量的實(shí)驗(yàn)和分析表明，鍵合層材料的熔點(diǎn)決定了聲光器件鍵合層能夠承受的最高溫度，對承受功率密度能力和可靠性具有重要影響，如果鍵合層的溫度接近或達(dá)到材料熔點(diǎn)，將導(dǎo)致鍵合層失效。因此，制作高功率密度聲光器件需選用高熔點(diǎn)鍵合層材料。

常見的聲光器件鍵合層材料如表1所示，傳統(tǒng)聲光器件電極層2、4普遍采用鉻(Cr)，焊接層3采用銦(In)、錫(Sn)等材料。In、Sn等材料熔點(diǎn)偏低，無法滿足高功率密度下的應(yīng)用需求。

表1 常見鍵合層材料特性

在高功率密度聲光器件設(shè)計(jì)方案中，電極層2、4采用銀(Ag)，其熔點(diǎn)較高，且在非金屬表面具有良好的附著性；焊接層3采用金(Au)，其熔點(diǎn)高于1 000 ℃，具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。

2.2 整體熱設(shè)計(jì)

在高功率密度工作狀態(tài)下，聲光器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量急劇增加，為了將器件內(nèi)部溫度控制在安全范圍內(nèi)，保證產(chǎn)品可靠性，器件整體熱設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

在高功率密度聲光器件熱設(shè)計(jì)中，首先需要考慮的是換能器信號輸入問題，由于輸入信號功率很大，信號輸入部分的可靠性需要重點(diǎn)進(jìn)行考慮。傳統(tǒng)的大功率聲光器件多使用頂壓式信號輸入方式，即采用電極片與表電極物理接觸的方法實(shí)現(xiàn)信號輸入，通過在電極部分填充導(dǎo)熱層，可以實(shí)現(xiàn)換能器和鍵合層的快速散熱，但該方案的信號導(dǎo)通方式為物理接觸而非焊接，連接可靠性不高；另外一種是點(diǎn)焊式信號輸入方案，一般需對換能器進(jìn)行拋光，采用金絲球焊工藝將引線焊接到表電極，該方案連接穩(wěn)定可靠，熱導(dǎo)出速率不高，要求鍵合層能承受較高的溫度。

經(jīng)過分析和對比，采用的熱設(shè)計(jì)方案如圖3所示。在射頻信號輸入端采用點(diǎn)焊式方案：聲光晶體上部的換能器拋光后濺射金表電極，采用金絲球焊工藝在表電極上完成引線點(diǎn)焊，焊點(diǎn)在表電極上呈對稱陣列分布；器件的整體散熱采用導(dǎo)熱填充與水冷相結(jié)合的方案：聲光晶體的側(cè)面和底面通過厚約0.2 mm的導(dǎo)熱填充層與金屬殼體結(jié)合，填充層的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)4.0 W/(m·K)，由此在聲光晶體和金屬殼體間建立了大接觸面、高速率的熱傳遞通道；在器件外圍殼體熱設(shè)計(jì)方面，通過設(shè)置水冷通道來實(shí)現(xiàn)器件整體熱導(dǎo)出。

圖3 高功率聲光器件熱設(shè)計(jì)方案

基于該設(shè)計(jì)方案，通過ANSYS建立有限元熱分析模型，對器件的溫度分布情況進(jìn)行了仿真和分析，并完成了熱設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化。器件的熱仿真結(jié)果如圖4所示。在功率密度為125.0 W/cm2、水溫為22 ℃、氣溫為25 ℃狀態(tài)下工作時(shí)，器件局部最高溫度為64.5 ℃。該設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn)熱量從鍵合層到晶體和換能器，再到導(dǎo)熱填充層和金屬殼體的快速傳遞，有效降低鍵合層熱負(fù)荷，保證聲光器件鍵合層在高功率密度工作條件下的可靠性。

圖4 高功率密度聲光器件熱仿真

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前文闡述的設(shè)計(jì)方案制作的高功率密度聲光器件，聲光介質(zhì)采用石英晶體，晶體尺寸為33.5 mm×20 mm×7 mm，壓電換能器采用36°Y-切鈮酸鋰，表電極長為30 mm，寬為0.8 mm，工作頻率為40.68 MHz，工作波長為2 000 nm。實(shí)驗(yàn)框圖如圖5所示。經(jīng)測試，驅(qū)動(dòng)功率為30 W，衍射效率為81.6%，功率密度達(dá)到125.0 W/cm2。

圖5 實(shí)驗(yàn)框圖

4 結(jié)束語

文章介紹了一種高功率密度聲光器件，提出了采用高熔點(diǎn)鍵合層材料來提高器件承受功率密度能力的設(shè)計(jì)思路和方法。通過對比、分析、仿真和優(yōu)化，完成了高功率密度聲光器件整體熱設(shè)計(jì)，制作實(shí)驗(yàn)樣品并進(jìn)行了驗(yàn)證。

高功率密度即高功率、小體積，是聲光器件未來的重要發(fā)展方向。高功率密度聲光器件在戰(zhàn)場感知、光電對抗、精確制導(dǎo)、信息對抗、軍事通信、核爆模擬及新概念武器等軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。