一种高灵敏度的桥型声表面波应变传感器*

为了提高声表面波传感器应变灵敏度,该文提出了一种桥型声表面波应变传感器。首先根据受压弯曲构件中应变分布特点设计了桥型声表面波应变传感器,并建立有限元模型,结合微扰法分析了桥型结构几何参数与声表面波应变传感器灵敏度的关系。根据分析结果确定桥型声表面波应变传感器几何结构参数,并与传统声表面波应变传感器的应变灵敏度进行了对比研究,在此基础上搭建受压弯曲微动平台开展实验研究,结果表明:在直梁构件受压弯曲应变测量时,Y34°切向的桥型声表面波应变传感器的应变灵敏度为1692 Hz/με,传统声表面波传感器应变灵敏度为1328 Hz/με,桥型声表面波应变传感器的应变灵敏度较传统声表面波应变传感器有明显提高。     

扫描激光探针检测声脉压线声场

本文讨论了晶体表面存在金属线条时的声光相互作用理论,改进了原来的激光探针测量系统,新的系统能够对弱表面波声场进行成像,实验上,还对制作在YZ-LiNbO_3晶体上的声表面波脉压线声场进行了测试,并对结果进行分析和讨论。     

压电基片与金属点阵厚度对行波模式声表面波陀螺仪检测灵敏度的影响

过低的灵敏度性能一直是声表面波(SAW)陀螺仪的瓶颈问题,对此,提出了一种结合金属点阵用以改善陀螺效应的新型行波模式SAW陀螺仪,并对其性能进行了评价。该结构由双延迟线型振荡器构成,两延迟线平行且反向制作于同一压电基片上,在延迟线的声传播路径上分布铜点阵。结合层状介质中声波传输特性的研究方法分析了两种压电晶体材料、不同金属点阵膜厚对传感器响应的影响,从而为确定陀螺仪的设计奠定理论基础。基于理论计算结果,研制了以128°YX LiNbO3及X-112°Y LiTaO₃为压电基片,铜点阵厚度分别为33000 Å,6000 Å,9000 Å的95 MHz声表面波陀螺仪。为改善振荡器的频率稳定性,延迟线采用了具有梳状结构的单相单向换能器结构。振荡器的测试频率稳定度达到了±5 Hz/h。利用精确速率转台对所研制的SAW陀螺仪性能进行了测试。测试结果表明:采用机电耦合系数较高的128°YX LiNbO₃基片并增加金属点阵厚度均能有效提高陀螺仪的检测灵敏度,所获得的最大检测灵敏度为2.7 Hz/(deg/s)。      

光学相干域偏振测量技术及其在高精度光纤陀螺器件测量中的应用

光学相干域偏振测量(OCDP)技术是一种基于白光干涉原理,利用保偏光纤器件和组件中的偏振传输模式之间存在的能量耦合(偏振串扰)实现分布式偏振特性精确表征的测试方法,具有超高偏振测量灵敏度(偏振串扰为-100~-90dB)、高空间分辨率(5~10cm)、超宽测量动态范围(10~9~10~(10))和长光纤测量距离(数千米)等优点,可以满足包括光纤陀螺核心器件和光路在内的保偏光纤器件与组件的超高偏振性能测试需求。回顾OCDP原理与关键技术,包括分布式偏振串扰的测试原理与精确建模方法以及OCDP仪器化若干关键技术;展示OCDP技术在超高消光比集成波导调制器、超长陀螺敏感环定量测试与诊断、评估中的应用;针对高性能光纤传感器复杂多变的应用环境,展望OCDP技术在高精度光纤陀螺的核心器件与整机光路测试中未来的发展方向。     

SiO2波导布拉格器件中声表面波及声光相互作用分析

针对SiO2光波导声光布拉格器件,计算了SiO2非对称平板波导TE模式的横向场分布;给出了SiO2/ZnO/Air层状介质结构的性能方程、运动方程和麦克斯韦方程,推导出这种层状结构的特征方程,并结合所满足的边界条件,得到了各层介质的位移及电磁场分布;计算了声表面波所引起的光学相对介质隔离率张量的变化,最后讨论了声光衍射效率和光场与声场的重叠积分、声功率、声频率、声孔径和光波导参数之间的关系。结果表明,在低频范围内光场与声表面波场重叠良好;低阶模的重叠积分始终大于高阶模重叠积分,最低阶模与声表面波相互作用最强,所需声功率最小;当声功率一定时,增加声孔径可以提高衍射效率。     

声表面波梁式加速度传感器的优化设计

为获得传感器的优化设计,对一种声表面波梁式加速度传感器敏感机理进行了研究。从声波波动方程出发,结合有限元分析以及微扰理论对加速度作用力作用下声表面波传播特性进行分析,以此构建梁式声表面波加速度传感器敏感机理的理论模型,特别分析了压电梁材料及几何结构、振子质量对传感响应的贡献以确定传感器优化的几何参数。为验证理论分析结果,实验研制了基于ST-X石英悬臂梁结构的差分振荡式声表面波加速度传感器,并利用精密振动台对所研制传感器性能进行评价。实验结果显示,在给定加速度测试范围内,采用ST-X石英梁并延长梁长度、降低梁厚度以及采用较大的阵子质量将有效的改善传感器检测灵敏度,在±2 g范围内加速度灵敏度可达27 k Hz/g,且实验结果很好的验证了理论模型。     

基于指条厚度优化的冷凝式SAW气体传感器灵敏度提升方法

该文通过对声表面波谐振器指条厚度的优化提升了冷凝式气体传感器的灵敏度。基于流固耦合理论,利用有限元商业软件建立了有液膜负载和无液膜负载下的多物理场三维周期模型,并提取了相应的耦合模参量,利用耦合模模型及P矩阵级联技术,计算了不同指条厚度下液膜负载引起的传感器响应,获得了冷凝式声表面波气体传感器灵敏度随指条厚度的变化关系。实验中制备了6种不同电极厚度的声表面波谐振器,并利用甲基膦酸二甲酯实验样品完成了传感器的响应测试,验证了理论分析的正确性。结果表明,冷凝式声表面波气体传感器的灵敏度随指条厚度的增加先变大后减小,最优归一化电极厚度为6.4%～7.6%之间。该研究结果对进一步提升传感器灵敏度具有重要意义。     

热声转换的声表面波电压传感机制

提出了一种基于热声转换的高灵敏声表面波(SAW)电压传感机制并开展实验验证。从传热角度以及微扰理论出发建立了基于热声转换机制的SAW电压传感理论模型,探索了结构参数以及环境因素对SAW电压传感器灵敏度的影响规律。为了验证理论模型,在Y切石英基底上同芯片集成设计MEMS微型加热器与200 MHz声表面波器件以制备SAW电压传感器件,并搭建电压测试平台对传感器件开展性能测试。实验结果表明所制备的SAW传感器件电压与频率响应之间具有二次线性关系且在室温(20℃)下具有与理论相近的电压灵敏度(22.4 kHz/V),此外实验获得的环境温度对电压灵敏度的影响规律与理论相符。基于热声转换机制的SAW电压传感器能够显著的提高电压检测灵敏度。     

谐振式检测器谐振腔对声表面波气相色谱仪灵敏度的影响

研究了谐振式检测器谐振腔对声表面波气相色谱仪灵敏度的影响。构建无液膜负载和有液膜负载下压电基片和金属指条结构的三维有限元模型,利用有限元方法提取不同周期结构的耦合模参量,结合P矩阵级联技术,推导出传感器灵敏度随检测器腔体结构改变的变化关系。实验制备了两种三换能器结构的声表面波谐振器,其输入换能器与输出换能器间距离分别为22.25倍波长和1.25倍波长,通过测试甲基膦酸二甲酯气体,验证理论计算结果。结果表明:缩短谐振器的谐振腔长度使器件中心处能量更为集中,有效地提高了声表面波气相色谱仪灵敏度。      

谐振式检测器指条厚度对质量型声表面波传感器灵敏度的影响

研究了谐振器指条厚度对质量型声表面波传感器灵敏度的影响.利用耦合模方程推导出耦合模参量与周期栅阵禁带边界频率的关系,结合有限元及P矩阵模型,获得了声表面波传感器灵敏度随指条厚度的变化关系。制备3种不同铝指条厚度(1600?,1900?,3100?)的声表面波谐振器,通过对其表面中心区域沉积SiO_2层验证了计算结果。结果表明:采用ST-X石英基底的声表面波谐振器对SiO_2负载检测时,传感器的灵敏度随铝指条厚度的增加先变大后减小,最优归一化指条厚度为1.9%。分析表明,指条厚度对传感器灵敏度的影响主要来自于传播速度和耦合系数的共同作用,通过优化指条厚度的方法可改善传感器的灵敏度.     

基于绝缘体上硅的一种改进的Mach-Zehnder声光调制器

传统的基于绝缘体上硅的Mach-Zehnder(MZ)声光调制器中,叉指换能器位于两臂的同一侧.为实现高的调制效率,声表面波的波峰和波谷分别调制MZ干涉仪的两臂,这要求控制MZ干涉仪两臂之间的距离为奇数倍声波半波长.但实际上由于传播过程中衬底材料的变化,声波波长会变大,这会导致两臂的间距难以准确设置.另一方面,声波在传播过程中经过MZ干涉仪的一臂后会发生衰减,降低了对另一臂的调制效果,影响了整体的调制效率.本文针对这些问题给出了一种解决方案,把叉指换能器放在MZ波导两臂之间,确保MZ干涉仪两臂到叉指电极中心距离相等.采用有限元法,首先对新提出的结构进行分析,然后通过声光互作用原理得到了材料的折射率变化;进而研究了波导类型、波导宽度、氧化锌厚度及叉指对数等因素对声光调制效率的影响,并对声光调制器的结构参数进行了优化以提高其性能.基于COMSOL Multiphysics的仿真结果表明,当条波导宽度为6μm,氧化锌只覆盖有叉指电极的部分且厚度为2.2μm,控制叉指电极数目为50对时,波导有效折射率变化在驱动电压为1 V时可以达到4.08×10~(-4),比传统结构提高了12%.     

表面波布拉格声光互作用耦合波方程的研究

定义了压电晶体的增劲声光系数，它反映压电晶体中声光、电光和压电效应共同作用的结果。从参量互作用基本理论出发，同时考虑声光效应、电光效应和压电效应三个因素，用一个压电增劲声光系数来表示三种因素的共同作用，导出表面波声光布拉格互作用的耦合波方程。并求解得出相应衍射效率的计算公式。该式说明在弱声光互作用条件下，衍射导光波强度与超声功率成正比。表面波声光器件具有体积小、工作稳定、能耗小、易于集成等优点。可以用作光偏转器、光调制器、滤光器。在光通信以及各类实时信号处理，如相关、卷积、频谱分析、矩阵光计算等领域具有广泛的应用前景。     

Multi-channel surface acoustic wave device and its application on all-fiber acousto-optic modulation

The interaction of multi-channel surface acoustic waves （SAWs） and a guided optical wave in fiber is studied, and the corresponding coupled wave equations are derived. A novel two-channel SAW all-fiber acousto-optic modulator is designed, fabricated, and tested. The theoretical analysis is supported by the experimental results.     

Guided-Wave Two-Dimensional Acousto-Optic Scanner Using Proton-Exchanged Lithium Niobate Waveguide

Two-dimensional scanning of a 0.6328 mum guided-light beam has been realized using noncolinear acousto-optic (AO) coplanar Bragg diffraction together with colinear AO guided-mode to substrate radiation-mode conversion in a Z-cut Xpropagation LiNbO3 proton-exchanged (PE) waveguide. The two surface acoustic (SAW) waves utilized are at the center frequencies of 500 and 200 MHz, propagating in the Y and X axes, respectively. Two-dimensional scanning of approximately 720 resolvable light beam spots, namely, 18 40 (horizontal vertical) scanning, has been demonstrated using a light beam of 1.0 mm aperture. The total number of resolvable beam spots can be greatly increased from 720 by simply utilizing SAW transducers of larger bandwidth and a light beam of greater aperture. It should also be possible to significantly increase the diffraction efficiency from 3 % by optimizing the parameters of the PE waveguide and the SAWs.     

Guided-Wave Two-Dimensional Acousto-Optic Scanner Using Proton-Exchanged Lithium Niobate Waveguide

Two-dimensional scanning of a 0.6328 mum guided-light beam has been realized using noncolinear acousto-optic (AO) coplanar Bragg diffraction together with colinear AO guided-mode to substrate radiation-mode conversion in a Z-cut Xpropagation LiNbO3 proton-exchanged (PE) waveguide. The two surface acoustic (SAW) waves utilized are at the center frequencies of 500 and 200 MHz, propagating in the Y and X axes, respectively. Two-dimensional scanning of approximately 720 resolvable light beam spots, namely, 18 40 (horizontal vertical) scanning, has been demonstrated using a light beam of 1.0 mm aperture. The total number of resolvable beam spots can be greatly increased from 720 by simply utilizing SAW transducers of larger bandwidth and a light beam of greater aperture. It should also be possible to significantly increase the diffraction efficiency from 3 % by optimizing the parameters of the PE waveguide and the SAWs.     

A novel optimal sensitivity design scheme for yarn tension sensor using surface acoustic wave device

In this paper, we propose a novel optimal sensitivity design scheme for the yarn tension sensor using surface acoustic wave (SAW) device. In order to obtain the best sensitivity, the regression model between the size of the SAW yarn tension sensor substrate and the sensitivity of the SAW yarn tension sensor was established using the least square method. The model was validated too. Through analyzing the correspondence between the regression function monotonicity and its partial derivative sign, the effect of the SAW yarn tension sensor substrate size on the sensitivity of the SAW yarn tension sensor was investigated. Based on the regression model, a linear programming model was established to gain the optimal sensitivity of the SAW yarn tension sensor. The linear programming result shows that the maximum sensitivity will be achieved when the SAW yarn tension sensor substrate length is equal to 15 mm and its width is equal to 3 mm within a fixed interval of the substrate size. An experiment of SAW yarn tension sensor about 15 mm long and 3 mm wide was presented. Experimental results show that the maximum sensitivity 1982.39 Hz/g was accomplished, which confirms that the optimal sensitivity design scheme is useful and effective.     

Overlap integral dependence on the penetration depth in abnormal guided acousto-optic interaction

A numerical analysis about the overlap integral for TE-TM polarized light is presented about abnormal guided acousto-optic interaction using mode conversion. Overlap integral dependence on the penetration depth is obtained in abnormal acousto-optic interaction.