一种高功率密度声光器件

2019-06-25王晓新曹家强张泽红吴中超

压电与声光 2019年3期

关键词：声光功率密度换能器

王晓新，杨涛，曹家强，张泽红，吴中超，刘玲

(中电科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

声光器件是基于声光效应研制的一类光电器件，通过电调谐的方式可实现对光信号的强度、相位、频率的调制及光束偏转和滤光功能。声光器件因其自身优势在现代军事和民用领域得到了广泛应用。

随着技术的发展，越来越多整机和系统对声光器件提出了新的使用需求，主要体现在3方面：

1)工作波长超越了以往可见光和近红外的范畴，向更长的波段发展。

2)要求器件具有更高的衍射效率。

3)要求体积更小。

根据声光效应理论，在一定条件下满足前两项要求，需增加声光器件的驱动功率。增加驱动功率，减小体积，意味着声光器件功率密度的大幅提升。本文介绍了一种高功率密度声光器件，其功率密度达到了125.0 W/cm2。

1 原理

声光器件的基本原理如图1所示，射频驱动信号通过表电极和键合层施加在压电换能器上，产生相应频率的超声波，超声波经键合层耦合进入声光介质形成折射率光栅，当激光以一定角度入射到声光介质内时，将发生声光互作用，产生衍射光。

图1 声光器件基本原理

在图1所示的声光互作用中，声波矢量、输入光矢量、衍射光矢量需满足动量匹配条件，衍射光的相对强度[1]，即衍射效率η为

(1)

式中：λ为光波长；M2为声光介质的声光优值；L为电极长度；Pa为超声波功率；H为电极宽度。

声光器件的功率密度(ε)为施加在压电层单位有效工作面积上的射频功率，可由下式计算：

(2)

式中P为驱动功率。

2 器件设计

2.1 结构和材料设计

声光器件内部结构如图2所示，压电层即为通常所说的换能器，通过键合工艺与声光介质结合在一起，1～4层采用真空镀膜的方式得到，各镀层互相平行，它们对平面波传播的影响类似于传输线段。表电极1和中间金属层作为电极驱动压电层，焊接层3的作用是把压电层产生的机械振动耦合到声光介质中，电极层2、4是打底层，在制备焊接层前使键合面表层金属化，以利于后续膜层的制备和键合。压电层和声光互作用介质之间的2～4层统称为键合层[2]。

图2 器件内部结构示意图

在声光器件工作时，键合层将产生热损耗，随着器件驱动功率的增加，器件功率密度相应提高，键合层产生的热量急剧增加，温度快速上升。大量的实验和分析表明，键合层材料的熔点决定了声光器件键合层能够承受的最高温度，对承受功率密度能力和可靠性具有重要影响，如果键合层的温度接近或达到材料熔点，将导致键合层失效。因此，制作高功率密度声光器件需选用高熔点键合层材料。

常见的声光器件键合层材料如表1所示，传统声光器件电极层2、4普遍采用铬(Cr)，焊接层3采用铟(In)、锡(Sn)等材料。In、Sn等材料熔点偏低，无法满足高功率密度下的应用需求。

表1 常见键合层材料特性

在高功率密度声光器件设计方案中，电极层2、4采用银(Ag)，其熔点较高，且在非金属表面具有良好的附着性；焊接层3采用金(Au)，其熔点高于1 000 ℃，具有良好的导电和导热性能。

2.2 整体热设计

在高功率密度工作状态下，声光器件内部产生的热量急剧增加，为了将器件内部温度控制在安全范围内，保证产品可靠性，器件整体热设计显得尤为重要。

在高功率密度声光器件热设计中，首先需要考虑的是换能器信号输入问题，由于输入信号功率很大，信号输入部分的可靠性需要重点进行考虑。传统的大功率声光器件多使用顶压式信号输入方式，即采用电极片与表电极物理接触的方法实现信号输入，通过在电极部分填充导热层，可以实现换能器和键合层的快速散热，但该方案的信号导通方式为物理接触而非焊接，连接可靠性不高；另外一种是点焊式信号输入方案，一般需对换能器进行抛光，采用金丝球焊工艺将引线焊接到表电极，该方案连接稳定可靠，热导出速率不高，要求键合层能承受较高的温度。

经过分析和对比，采用的热设计方案如图3所示。在射频信号输入端采用点焊式方案：声光晶体上部的换能器抛光后溅射金表电极，采用金丝球焊工艺在表电极上完成引线点焊，焊点在表电极上呈对称阵列分布；器件的整体散热采用导热填充与水冷相结合的方案：声光晶体的侧面和底面通过厚约0.2 mm的导热填充层与金属壳体结合，填充层的导热系数可达4.0 W/(m·K)，由此在声光晶体和金属壳体间建立了大接触面、高速率的热传递通道；在器件外围壳体热设计方面，通过设置水冷通道来实现器件整体热导出。

图3 高功率声光器件热设计方案

基于该设计方案，通过ANSYS建立有限元热分析模型，对器件的温度分布情况进行了仿真和分析，并完成了热设计参数的调整和优化。器件的热仿真结果如图4所示。在功率密度为125.0 W/cm2、水温为22 ℃、气温为25 ℃状态下工作时，器件局部最高温度为64.5 ℃。该设计方案可实现热量从键合层到晶体和换能器，再到导热填充层和金属壳体的快速传递，有效降低键合层热负荷，保证声光器件键合层在高功率密度工作条件下的可靠性。

图4 高功率密度声光器件热仿真

3 实验结果

根据前文阐述的设计方案制作的高功率密度声光器件，声光介质采用石英晶体，晶体尺寸为33.5 mm×20 mm×7 mm，压电换能器采用36°Y-切铌酸锂，表电极长为30 mm，宽为0.8 mm，工作频率为40.68 MHz，工作波长为2 000 nm。实验框图如图5所示。经测试，驱动功率为30 W，衍射效率为81.6%，功率密度达到125.0 W/cm2。