一種高功率密度聲光器件

王曉新，楊 濤，曹家強，張澤紅，吳中超，劉 玲

(中電科技集團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研制的一類光電器件，通過電調諧的方式可實現對光信號的強度、相位、頻率的調制及光束偏轉和濾光功能。聲光器件因其自身優勢在現代軍事和民用領域得到了廣泛應用。

隨著技術的發展，越來越多整機和系統對聲光器件提出了新的使用需求，主要體現在3方面：

1)工作波長超越了以往可見光和近紅外的范疇，向更長的波段發展。

2)要求器件具有更高的衍射效率。

3)要求體積更小。

根據聲光效應理論，在一定條件下滿足前兩項要求，需增加聲光器件的驅動功率。增加驅動功率，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，射頻驅動信號通過表電極和鍵合層施加在壓電換能器上，產生相應頻率的超聲波，超聲波經鍵合層耦合進入聲光介質形成折射率光柵，當激光以一定角度入射到聲光介質內時，將發生聲光互作用，產生衍射光。

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量匹配條件，衍射光的相對強度[1]，即衍射效率η為

(1)

式中：λ為光波長；M2為聲光介質的聲光優值；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，可由下式計算：

(2)

式中P為驅動功率。

2 器件設計

2.1 結構和材料設計

聲光器件內部結構如圖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結合在一起，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動壓電層，焊接層3的作用是把壓電層產生的機械振動耦合到聲光介質中，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，以利于后續膜層的制備和鍵合。壓電層和聲光互作用介質之間的2～4層統稱為鍵合層[2]。

圖2 器件內部結構示意圖

在聲光器件工作時，鍵合層將產生熱損耗，隨著器件驅動功率的增加，器件功率密度相應提高，鍵合層產生的熱量急劇增加，溫度快速上升。大量的實驗和分析表明，鍵合層材料的熔點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到材料熔點，將導致鍵合層失效。因此，制作高功率密度聲光器件需選用高熔點鍵合層材料。

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

表1 常見鍵合層材料特性

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

2.2 整體熱設計

在高功率密度工作狀態下，聲光器件內部產生的熱量急劇增加，為了將器件內部溫度控制在安全范圍內，保證產品可靠性，器件整體熱設計顯得尤為重要。

在高功率密度聲光器件熱設計中，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進行考慮。傳統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現信號輸入，通過在電極部分填充導熱層，可以實現換能器和鍵合層的快速散熱，但該方案的信號導通方式為物理接觸而非焊接，連接可靠性不高；另外一種是點焊式信號輸入方案，一般需對換能器進行拋光，采用金絲球焊工藝將引線焊接到表電極，該方案連接穩定可靠，熱導出速率不高，要求鍵合層能承受較高的溫度。

經過分析和對比，采用的熱設計方案如圖3所示。在射頻信號輸入端采用點焊式方案：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焊，焊點在表電極上呈對稱陣列分布；器件的整體散熱采用導熱填充與水冷相結合的方案：聲光晶體的側面和底面通過厚約0.2 mm的導熱填充層與金屬殼體結合，填充層的導熱系數可達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計方面，通過設置水冷通道來實現器件整體熱導出。

圖3 高功率聲光器件熱設計方案

基于該設計方案，通過ANSYS建立有限元熱分析模型，對器件的溫度分布情況進行了仿真和分析，并完成了熱設計參數的調整和優化。器件的熱仿真結果如圖4所示。在功率密度為125.0 W/cm2、水溫為22 ℃、氣溫為25 ℃狀態下工作時，器件局部最高溫度為64.5 ℃。該設計方案可實現熱量從鍵合層到晶體和換能器，再到導熱填充層和金屬殼體的快速傳遞，有效降低鍵合層熱負荷，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 實驗結果

根據前文闡述的設計方案制作的高功率密度聲光器件，聲光介質采用石英晶體，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。實驗框圖如圖5所示。經測試，驅動功率為30 W，衍射效率為81.6%，功率密度達到125.0 W/cm2。

圖5 實驗框圖

4 結束語

文章介紹了一種高功率密度聲光器件，提出了采用高熔點鍵合層材料來提高器件承受功率密度能力的設計思路和方法。通過對比、分析、仿真和優化，完成了高功率密度聲光器件整體熱設計，制作實驗樣品并進行了驗證。

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