聲光可調濾光器的輻照特性研究

李 鈺

(北京理工大學 光電學院,北京 100081)

0 引言

聲光可調濾光器(簡稱“濾光器”)通過改變射頻驅動信號的頻率來調整輸出衍射光的波長,其具有體積小,質量小,可編程,響應快速以及較強的環境適應能力等特點,是深空探測光譜成像/分析領域應用中的重要分光器件[1]。

深空探測是指脫離地球引力場,進入太陽系空間和宇宙空間對行星及空間物質進行探測。作為遙感、天文觀測、行星科學等學科的重要分支,從長遠角度來看,深空探測是人類研究宇宙的起源與演變,認識地球環境的形成和演變的重要手段,探測和開發深空環境對緩解日益加劇的人類人口壓力以及不斷開采消耗的地球非可再生資源的現狀具有十分重要的科學和經濟意義[2]。

有關深空探測會遇到空間輻射問題的研究較少,僅2011年徐睿等對聲光可調濾光器開展了輻射總劑量1.0×104rad(Si)的實驗[3]?？紤]到深空探測應用的需要,本文對聲光可調濾光器開展了更大劑量的中子輻照和電離輻照兩方面的實驗研究。

1 聲光可調濾光器結構設計

根據聲光互作用理論,濾光器在滿足動量匹配的條件下,衍射光波長λ0與聲波頻率fa、聲速va、入射角θi和衍射光在晶體內的衍射角θd之間的關系[4]:

(1)

由式(1)可知,λ0與fa成一一對應關系,如圖1所示,輸入任意一個聲波頻率都能濾出一個對應的光波長。

圖1 光波長與聲頻的關系

濾光器是反常布喇格衍射模式,衍射光的衍射效率[5]為

(2)

式中:M2為氧化碲晶體的聲光優值;L為聲光互作用長度;H為光孔徑;k為換能器機電耦合系數;μ為1 GHz聲波在距離換能器10 mm處的聲波衰減系數;m為光到換能器的距離。

聲光可調濾光器由聲光塊體、鋁合金殼體、高頻插座、貼片電感、貼片電容和印制電路版等組成。器件內部結構如圖2所示。聲光塊體是濾光器的核心部件,它由聲光介質氧化碲晶體、鈮酸鋰換能器和金屬焊接層等組成,如圖3所示,焊接層是位于聲光介質氧化碲與鈮酸鋰換能器之間的金屬膜層。工作時,射頻信號輸入到聲光濾光器器件內,器件內的換能器再將輸入的射頻信號轉換為超聲振動,超聲振動通過焊接層被耦合到聲光介質內形成超聲波,入射光與超聲波發生聲光互作用進而產生衍射光。器件工作在真空環境下,以傳導方式散熱為主,輻射方式散熱為輔,在結構設計中可保證安裝面的平整度,利于器件外殼緊貼整機,通過整機進行傳導散熱,同時安裝面應具有一定的厚度,在保證機械強度的情況下,減小器件的體積、質量。

圖2 器件結構圖

圖3 聲光塊體

2 輻照實驗條件

濾光器中的鋁合金殼體、高頻插座、低頻插座、匹配元件(貼片電容和線繞電感)和印制電路版等對輻照不敏感,因此重點研究氧化碲晶體、鈮酸鋰換能器及濾光器器件(整機)的輻照特性。開展的輻照實驗分為中子輻射試驗和電離總劑量輻射試驗兩項,具體要求如下:

2.1 中子輻射試驗

a) 中子注量: 1.5×1012n/cm2(1MEV等效電子);

b) 中子注量率:(0.3～1)×109n/cm2/s;

c) 試驗溫度:室溫;

d) 產品安裝:按要求把樣品安裝在試驗平臺上;

e) 輻射試驗地點:西安;

f) 性能檢測:在重慶完成輻射試驗前后的性能檢測。

2.2 電離總劑量輻射試驗

a) 輻射源:鈷60γ源;

b) 總劑量:6×103Gy(Si);

c) 輻射劑量率:0.5 Gy(Si)/s;

d) 試驗溫度:室溫;

e) 產品安裝:按要求把樣品安裝在試驗平臺上;

f) 輻射試驗地點:西安;

g) 性能檢測:在重慶完成輻射試驗前后的性能檢測。

3 氧化碲晶體的輻照特性

氧化碲晶體屬于422點群四方晶系,密度為5 990 kg/m3,透光區是 0.35～5 μm。氧化碲晶體外形如圖4所示,尺寸為32 mm×17 mm×10 mm。

圖4 X線衍射分析用的氧化碲晶體

高分辨X線衍射(HRXRD)是一種表征晶體結晶質量的常用方法。高分辨X線衍射通過對入射X射線束進行能量和發散角度上的限制,使其集中在樣品上一個狹小的區域內,同時輔以高精度、高分辨率的測角儀,則可測定樣品微觀結構上的變化。通過搖擺曲線的峰形和半高寬可以分析晶體的結晶完整性和應力情況:晶體內部的小角晶界等缺陷會導致搖擺曲線出現多峰,晶體中的應力會引起搖擺曲線變寬,因此采用高分辨X線衍射技術能對晶體內部的變化情況進行分析。

對T2#和T3#做中子輻照實驗,測量實驗前后的性能,再做電離總劑量輻照實驗,測量實驗前后的性能。測試結果如圖5、6所示。由圖5可見,輻照試驗前后衍射峰位一致,說明氧化碲晶體的晶格常數不變,即晶體基本屬性不變。由圖6可見,輻照試驗后搖擺曲線峰值半寬加大,說明氧化碲吸收的能量使晶體內部應力增大。綜上所述,輻照沒有改變晶格常數即晶體結構,但氧化碲吸收的能量使晶體內部應力增大。

圖6 氧化碲輻照試驗前后的搖擺曲線

4 鈮酸鋰換能器的輻照特性

鈮酸鋰(LINbO3)在室溫下屬于鐵電相,三方晶系,是常用的高頻換能器材料,其作用是將電功率轉變成聲功率,從而在聲光介質中建立起超聲場。鈮酸鋰換能器外形如圖7所示,尺寸為32.5 mm×11.8 mm×2 mm。

圖7 X線衍射分析用的鈮酸鋰換能器

4.1 采用X線技術分析鈮酸鋰換能器變化情況

采用X線衍射技術分析換能器的內部變化的實驗采用的鈮酸鋰換能器編號L2#,對其先做中子輻照實驗,測量實驗前后的性能,再做電離總劑量輻照實驗,測量實驗前后的性能。測試結果如圖8、9所示。

圖8 鈮酸鋰輻照試驗前后的X線衍射峰

由圖8可見,輻照試驗前后衍射峰位一致,沒有發生變化,說明鈮酸鋰換能器的晶格常數不變。由圖9可見,輻照射試驗后搖擺曲線半峰寬增大,說明鈮酸鋰吸收的能量內部應力增大。綜上所述,中子輻射試驗沒有改變鈮酸鋰換能器的晶格常數即晶體結構,但鈮酸鋰換能器吸收的輻射能量使晶體質量變差、內部應力增大。

圖9 鈮酸鋰輻照試驗前后的搖擺曲線

4.2 測量換能器機電耦合系數的相對變化

為了測量鈮酸鋰換能器(X切向,激發剪切波)的機電耦合系數,需要在鈮酸鋰換能器的兩個面鍍上金電極。如圖10所示,同一片換能器上制作了k6、k7和k83個電極。換能器頻率特性測量示意圖如圖11所示。

圖10 鍍了電極的鈮酸鋰換能器

圖11 換能器頻率特性測量示意圖

按照下式計算換能器的機電耦合系數[6]:

(3)

式中:fs為諧振頻率;fp為反諧振頻率。

中子輻照實驗前后酸鋰換能器測量數據及計算結果參見表1。由表可知,換能器k6、k7和k8的機電耦合系數實測值約0.64,接近理論值0.68;中子輻照使鈮酸鋰換能器(X切型)的機電耦合系數降低了約1.26%。

表1 中子輻照對鈮酸鋰換能器的影響

電離輻照實驗前后酸鋰換能器測量數據及計算結果參見表2。由表可知,換能器k6、k7和k8機電耦合系數實測值約0.63,接近理論值0.68;電離輻照使鈮酸鋰換能器(X切型)的機電耦合系數降低了約0.86%。

表2 電離輻照對鈮酸鋰換能器的影響

5 濾光器器件的輻照特性

工作頻率(光波長)、衍射效率和光譜分辨率是聲光濾光器最重要的技術指標,對這些性能指標開展了抗輻射特性研究。

5.1 濾光器的工作頻率與衍射效率

聲光可調濾光器的濾光特性是:濾出的光波長與驅動頻率成一一對應關系,因此,測量濾光器的驅動頻率能分析聲光濾光器的濾光特性。由于聲光濾光器的驅動頻率與光的入射角有關,為了準確測量濾光器的頻率特性,我們采用激光進行測量。

測試框圖如圖12所示,測試激光器分為1 064 nm激光器、1 319 nm激光器、1 550 nm激光器和2 mm激光器4種。濾光器分為高頻段和低頻段兩個輸入端口,高頻段采用1 064 nm激光器和1 319 nm激光器測量,低頻段采用1 550 nm激光器和2 mm激光器測量。

圖12 衍射效率測試框圖

測試方法:開啟激光器、直流穩壓電源、光功率計和計算機,激光器預熱20 min,調整器件的位置角度,使激光垂直從通光孔中心穿過,再調節驅動器的工作頻率,使衍射光最強(記錄工作頻率),用光功率計測試衍射光的功率P1;關閉直流穩壓電源,用光功率計測試0級光的功率P0。其衍射效率η為

(4)

用4種激光器分別測試濾光器F1與F2,測得頻率特性見表3,衍射效率見表4。由表3可見,對于同一光波長,輻照實驗前后的工作頻率變化量非常小,考慮到測量誤差,可以認為工作頻率無變化。根據濾光器工作頻率與光波長一一對應關系,工作頻率無變化,則濾出的光波長也無變化,濾光功能正常。

表3 濾光器輻照前后的頻率特性

表4 濾光器輻照前后的衍射效率特性

由表4可見,中子輻照與電離輻照實驗后,衍射效率降低了約2%,這與前面分析的聲光介質質量變差、換能器機電耦合系數降低相吻合。

5.2 濾光器光譜分辨率變化情況

光譜分辨率也是濾光器的關鍵技術指標,采用專用的聲光濾光器性能測試系統測試光譜分辨率,測試框圖如圖13所示。

圖13 聲光濾光器性能測試系統框圖

光譜分辨率測試結果見表5。測試系統光源使用iHR320型單色儀,光柵600 g/mm,狹縫0.3 mm×0.3 mm,色散常數2.74 nm/mm,這使光譜分辨率存在±1 nm的測試誤差。若考慮此測試誤差,則可認為光譜分辨率實驗前后未發生明顯變化。

6 實驗分析

濾光器在設計時應盡量選用對輻照不敏感的材料,聲光介質氧化碲晶體和鈮酸鋰換能器是必須采用的材料。

氧化碲晶體在受到中子輻照與電離輻照后,其晶格常數不變,雖然內部應力增大,但其濾光功能正常,濾出光譜的光譜分辨率未發生明顯變化,僅頻率特性有細微變化:中子輻照存在使工作頻率增加的趨勢,電離輻照存在使工作頻率減小的趨勢。根據式(1)推算,中子輻照使濾出的光波長減小了約0.3 nm,相對變化量降低了約0.02%;電離輻照使濾出的光波長增加了約0.03 nm,相對變化量增加了約0.003%,這個變化非常小,通常情況下可以忽略不計。

鈮酸鋰換能器在受到中子輻照與電離輻照后,其晶格常數不變,雖然內部應力增大,但其將電信號轉換為聲信號的功能正常,僅機電耦合系數有降低的趨勢:中子輻照使機電耦合系數降低了約1.26%,電離輻照使機電耦合系數降低了約0.86%。

輻照實驗后,濾光器衍射效率下降了約2%,這與氧化碲質量變差、換能器機電耦合系數降低相吻合。

7 結束語

本文對濾光器及濾光器中的兩個關鍵材料——氧化碲晶體與鈮酸鋰換能器進行了中子輻照和電離輻照實驗,并對比分析了輻照實驗前后的性能變化情況。實驗表明,中子輻照和電離輻照對氧化碲晶體、鈮酸鋰換能器及濾光器的影響都非常小,因此,濾光器能較好地適應深空探測中的輻照條件,是深空探測光譜成像/分析領域應用中理想的分光器件。