压电晶体表面激发的赝表面声波Green函数

赝表面声波(PSAW)是各向异性介质和压电介质中存在的一种特殊的表面波模式,它在声表面波技术中有重要的应用。基于我们发展的压电晶体表面激发理论,对压电晶体表面激发产生的赝表面波Green函数和相应的赝表面波波场给出了解析表达式。在分析了赝表面波Green函数存在的条件和性质后。结果给出了石英和LiNbO₃赝表面波的Green函数数值计算。     

压电晶体表面有限孔径源所产生声表面波的衍射场

到目前为止,声表面波有限孔径叉指换能器产生的衍射场一般是用角谱理论来进行唯象分析的,该标量理论的主要近似是忽略了问题的矢量性质,象在光学中那样,假定波场可以用一个标量来描述。
在本文中,利用我们发展起来的压电晶体中弹性波场表面激发的严格矢量理论,给出了声表面波衍射场的全面严格的表叙。
作为例子,对YZ-LiNbO₃进行了数值计算,所得结果跟角谱理论作了比较讨论。     

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-LiNbO₃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。     

声表面波在声栅上的Bragg衍射

本工作揭示了声表面波在声栅上的Bragg型衍射效应。应用简正波理论近似处理了在强Bragg条件下,声表面波在声栅上衍射的一些规律:栅阵内简正模式,偏转角和偏转效率与入射声波工作频率和声栅参数的关系。实验上,我们在y切割LiNbO₃压电晶体表面,用金属栅阵构成声栅,用光学法观察了声表面波(Rayleigh波)在上述声栅上的Bragg型衍射现象,并测量了偏转角和偏转效率随工作频率的关系。实验与理论结果比较表明,二者基本上是符合的。 关键词：     

倾斜金属线条反射阵对声表面波的反射特性

本文讨论了晶体表面倾斜金属线条对声表面波的反射特性,利用简单模型和多次反射模型详细讨论了等线宽、等周期金属线条反射阵的声场分布和反射特性。另一方面,利用扫描激光探针的方法测量了上述反射阵引起的声表面波反射声场,且比较了理论和实验结果,说明反射阵中多次反射声波不能忽略,利用多次反射模型能够较好地说明声场变化的一些现象。     

矩形表面波探头声场的高斯声束叠加法

利用矩形压电晶片和有机玻璃楔块折射可激励出超声表面波,广泛用于固体近表面缺陷检测和材料特性测量.由于描述表面波三维声场的理论方法还鲜有报道,因而主要采用简化的表面波二维声场模型来定量分析这类问题.高斯声束模型近些年被广泛应用于解决超声体波传播的各种复杂问题,然而,目前还没有将其扩展应用到超声表面波的声场的计算中.通过结合表面波格林方程和矩形换能器的高斯声束模型,推导出基于高斯声束叠加的表面波三维声场解析解.进一步,将该方法与点源叠加的数值解进行了分析比较,计算结果表明表面波声场的高斯声束叠加方法在具有较好计算精度的同时,还具有更快的计算效率.     

短路金属栅对正入射瑞利波的散射

由压电晶体动力学方程等出发,用电表面边界微扰技术得到了入射声表面波在栅区激发的微扰电场及电荷分布;将这些电荷作为表面激发源,用积分变换得到了包括散射声表面波和体波的一般积分解。
数值计算了YZ-LiNbO₃,表面上短路金属栅对正入射瑞利波散射的声表面波,给出了其反射系数,前向散射系数等与栅条宽度的关系;进而导出了声表面波经过金属栅时的相速变化。理论计算与实验测量结果符合较好。     

声表面波在厚金属栅阵中的耦合模参数

提出了一种研究声表面波在压电晶体厚金属栅阵中传播特性的理论方法。将有限元和声表面波在周期栅阵中的变分原理分析方法相结合,在陈东培和H.A.Haus理论基础上、用有限元分析金属短路栅对声表面波传输特性的影响,将力学负载贡献的耦合模参数用有限元矩阵表示,使其适用于声表面波在厚金属或任意形状栅条中传输情况,给出了具体理论分析方法和相应的理论表达式。最后,具体研究了几种压电晶体上金、铝或银栅阵中声表面波的传输特性,通过数值计算给出了声表面波的耦合模参数。     

固体表面菲涅尔阵列产生的声束聚焦的研究

在固体表面上菲涅尔阵列可实现聚焦声束的B扫描。此阵列产生的弹性波场的分析是固体中会聚声束B扫描成像的物理基础.给出此聚焦声场的全面分析,包括:纵波和横波会聚声束的频率扫描特性;纵波声场沿对称轴和在焦面上的分布;在主焦点的频率响应;纵波场的全空间分布以及阵列参数对会聚声场的影响.最后还讨论了横波的分布.     

二维声表面波压电声子晶体在射频段的时域有限差分法

对二维声表面波压电声子晶体在射频段的带隙特性,进行了时域有限差分法(FDTD)理论推导和计算,并提出实验方法对比验证。FDTD计算模型考虑了压电效应,引入周期边界条件以节省计算空间和时间,采用完全匹配层以解决声表面波在截断边界处的虚拟反射问题。实验上分别设计有/无二维压电声子晶体的两种宽频带延迟线结构,测量两种延迟线的传输系数取差值,得到了二维压电声子晶体的带隙;其中通过时域加窗函数保留一次传输信号,进行干扰信号的去除。以铝/128°YX-LiNbO3二维压电声子晶体为例,该FDTD方法、商业有限元软件COMSOL、实验方法均得到了100⁵00 MHz射频段内的多个带隙,三种带隙对比证明了FDTD计算带隙与实验测量带隙一致,比COMSOL计算的计算带隙精度更高。     

压电晶体表面激发的二维声表面波Green函数

最近,我们研究了在压电晶体半空间表面激发的二维广义Green函数。在本文将仔细讨论广义Green函数的表面波部分。用稳相法给出声表面波远场渐近解。但是由于这样的渐近解在接近慢度曲线的拐点处失效,我们发展了用变型Airy函数表示的普适渐近解,从而解决了在拐点附近的解的衔接问题。
对于Y切LINbO₃,进行了声表面波Green函数分量和功率流密度的数值计算,结果表明在Y切LiNbO₃的Z方向上出现聚焦现象.     

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。     

声表面波机电耦合系数与短路金属栅阵的变分分析

本文给出一个变分表达式,它适用于自由表面和金属化表面上声表面波传播与散射分析。然后应用此表达式导出压电晶体材料声表面波机电耦合系数K²作为材料常数函数的近似解析表达式。并进一步求解了短路金属栅阵在同步频率附近的波表面反射系数,给出其作为基底与金属膜材料常数和金属条几何参数函数的解析表达。结果特别指出了导致上述效应的各种物理机制间的相互关系。数值结果与实验结果相符,变分处理简化了数学过程而突出了其中物理规律。     

Enhancement of the nonlinear acoustoelectric interaction in a photoexcited plasma in a quantum well

Nonlinear interaction of an intense surface acoustic wave (SAW) with a 2D electron-hole plasma generated by light in a semiconductor quantum well near a piezoelectric crystal is investigated. It is shown that, in a strongly nonlinear regime, the acoustoelectric interaction is enhanced because of the accumulation of carriers in the field of an intense SAW. In addition, in a strongly nonlinear regime, the dissipation of the acoustic wave energy increases and the sound velocity decreases. These dependences fundamentally differ from those observed in a unipolar plasma. For high sound intensities, analytical results are obtained.     

Growth and characterization of piezoelectric Sr3Ga2Ge4O14 crystals

Langasite (La3Ga5SiO14, LGS) and its isomorphs, have attracted much attention for their potential for surface acoustic wave (SAW) and bulk acoustic wave (BAW) applications. Among these homologous compounds, Sr3Ga2Ge4O14 (SGG) attracted our attention due to its superior piezoelectric properties and lower growth temperature. In this work, SGG single crystal has been grown successfully by the vertical Bridgman method with crucible-sealing technique. SGG wafers of 2 in. have been fabricated. The basic physical properties of SGG crystals were measured. The results demonstrate that piezoelectric and mechanical properties of SGG crystals are better than that of LGS crystal and it is expected to be a potential substrate material for SAW and BAW applications.     

高温条件下Ga3PO7晶体热学及声表面波性质的理论研究

高温压电晶体是许多机电器件必需的一种多功能材料, Ga₃PO₇晶体的居里温度高达1364 ℃, 可应用于高温极限条件. 但是预测高温极限条件下晶体的结构以及物理性质的问题采用实验研究的手段非常困难, 而理论上的预测未见研究. 本文采用密度泛函-准谐振近似理论计算了温度在0-1200 ℃范围内Ga₃PO₇ 晶体的结构常数和热学性质, 结果表明Ga₃PO₇晶体的晶格常数a和c随温度的升高呈线性增大, 且c方向受温度影响更为显著; 晶体的密度随温度的升高而减小, 计算的a 和c方向平均热膨胀系数分别为1.67×10^-6 K^-1和3.58×10^-6 K^-1, 高温区定压热容为2.067 J/g·K, 与实验值一致. 计算了从常温到高温下该晶体的弹性常数以及体弹性模量的变化, 研究了高温条件下的声表面波特性, 发现随着温度的升高, 声表面波速度浮动较小, 而机电耦合系数略有增大; 在传播角为151° 时该晶体具有较好的温度稳定性且机电耦合系数达到最大值, 这表明Ga₃PO₇ 晶体是一种有望应用于高温环境下的压电晶体.