声光可调滤光器的辐照特性研究

李 钰

(北京理工大学 光电学院,北京 100081)

0 引言

声光可调滤光器(简称“滤光器”)通过改变射频驱动信号的频率来调整输出衍射光的波长,其具有体积小,质量小,可编程,响应快速以及较强的环境适应能力等特点,是深空探测光谱成像/分析领域应用中的重要分光器件[1]。

深空探测是指脱离地球引力场,进入太阳系空间和宇宙空间对行星及空间物质进行探测。作为遥感、天文观测、行星科学等学科的重要分支,从长远角度来看,深空探测是人类研究宇宙的起源与演变,认识地球环境的形成和演变的重要手段,探测和开发深空环境对缓解日益加剧的人类人口压力以及不断开采消耗的地球非可再生资源的现状具有十分重要的科学和经济意义[2]。

有关深空探测会遇到空间辐射问题的研究较少,仅2011年徐睿等对声光可调滤光器开展了辐射总剂量1.0×104rad(Si)的实验[3]。考虑到深空探测应用的需要,本文对声光可调滤光器开展了更大剂量的中子辐照和电离辐照两方面的实验研究。

1 声光可调滤光器结构设计

根据声光互作用理论,滤光器在满足动量匹配的条件下,衍射光波长λ0与声波频率fa、声速va、入射角θi和衍射光在晶体内的衍射角θd之间的关系[4]:

(1)

由式(1)可知,λ0与fa成一一对应关系,如图1所示,输入任意一个声波频率都能滤出一个对应的光波长。

图1 光波长与声频的关系

滤光器是反常布喇格衍射模式,衍射光的衍射效率[5]为

(2)

式中:M2为氧化碲晶体的声光优值;L为声光互作用长度;H为光孔径;k为换能器机电耦合系数;μ为1 GHz声波在距离换能器10 mm处的声波衰减系数;m为光到换能器的距离。

声光可调滤光器由声光块体、铝合金壳体、高频插座、贴片电感、贴片电容和印制电路版等组成。器件内部结构如图2所示。声光块体是滤光器的核心部件,它由声光介质氧化碲晶体、铌酸锂换能器和金属焊接层等组成,如图3所示,焊接层是位于声光介质氧化碲与铌酸锂换能器之间的金属膜层。工作时,射频信号输入到声光滤光器器件内,器件内的换能器再将输入的射频信号转换为超声振动,超声振动通过焊接层被耦合到声光介质内形成超声波,入射光与超声波发生声光互作用进而产生衍射光。器件工作在真空环境下,以传导方式散热为主,辐射方式散热为辅,在结构设计中可保证安装面的平整度,利于器件外壳紧贴整机,通过整机进行传导散热,同时安装面应具有一定的厚度,在保证机械强度的情况下,减小器件的体积、质量。

图2 器件结构图

图3 声光块体

2 辐照实验条件

滤光器中的铝合金壳体、高频插座、低频插座、匹配元件(贴片电容和线绕电感)和印制电路版等对辐照不敏感,因此重点研究氧化碲晶体、铌酸锂换能器及滤光器器件(整机)的辐照特性。开展的辐照实验分为中子辐射试验和电离总剂量辐射试验两项,具体要求如下:

2.1 中子辐射试验

a) 中子注量: 1.5×1012n/cm2(1MEV等效电子);

b) 中子注量率:(0.3～1)×109n/cm2/s;

c) 试验温度:室温;

d) 产品安装:按要求把样品安装在试验平台上;

e) 辐射试验地点:西安;

f) 性能检测:在重庆完成辐射试验前后的性能检测。

2.2 电离总剂量辐射试验

a) 辐射源:钴60γ源;

b) 总剂量:6×103Gy(Si);

c) 辐射剂量率:0.5 Gy(Si)/s;

d) 试验温度:室温;

e) 产品安装:按要求把样品安装在试验平台上;

f) 辐射试验地点:西安;

g) 性能检测:在重庆完成辐射试验前后的性能检测。

3 氧化碲晶体的辐照特性

氧化碲晶体属于422点群四方晶系,密度为5 990 kg/m3,透光区是 0.35～5 μm。氧化碲晶体外形如图4所示,尺寸为32 mm×17 mm×10 mm。

图4 X线衍射分析用的氧化碲晶体

高分辨X线衍射(HRXRD)是一种表征晶体结晶质量的常用方法。高分辨X线衍射通过对入射X射线束进行能量和发散角度上的限制,使其集中在样品上一个狭小的区域内,同时辅以高精度、高分辨率的测角仪,则可测定样品微观结构上的变化。通过摇摆曲线的峰形和半高宽可以分析晶体的结晶完整性和应力情况:晶体内部的小角晶界等缺陷会导致摇摆曲线出现多峰,晶体中的应力会引起摇摆曲线变宽,因此采用高分辨X线衍射技术能对晶体内部的变化情况进行分析。

对T2#和T3#做中子辐照实验,测量实验前后的性能,再做电离总剂量辐照实验,测量实验前后的性能。测试结果如图5、6所示。由图5可见,辐照试验前后衍射峰位一致,说明氧化碲晶体的晶格常数不变,即晶体基本属性不变。由图6可见,辐照试验后摇摆曲线峰值半宽加大,说明氧化碲吸收的能量使晶体内部应力增大。综上所述,辐照没有改变晶格常数即晶体结构,但氧化碲吸收的能量使晶体内部应力增大。

图6 氧化碲辐照试验前后的摇摆曲线

4 铌酸锂换能器的辐照特性

铌酸锂(LINbO3)在室温下属于铁电相,三方晶系,是常用的高频换能器材料,其作用是将电功率转变成声功率,从而在声光介质中建立起超声场。铌酸锂换能器外形如图7所示,尺寸为32.5 mm×11.8 mm×2 mm。

图7 X线衍射分析用的铌酸锂换能器

4.1 采用X线技术分析铌酸锂换能器变化情况

采用X线衍射技术分析换能器的内部变化的实验采用的铌酸锂换能器编号L2#,对其先做中子辐照实验,测量实验前后的性能,再做电离总剂量辐照实验,测量实验前后的性能。测试结果如图8、9所示。

图8 铌酸锂辐照试验前后的X线衍射峰

由图8可见,辐照试验前后衍射峰位一致,没有发生变化,说明铌酸锂换能器的晶格常数不变。由图9可见,辐照射试验后摇摆曲线半峰宽增大,说明铌酸锂吸收的能量内部应力增大。综上所述,中子辐射试验没有改变铌酸锂换能器的晶格常数即晶体结构,但铌酸锂换能器吸收的辐射能量使晶体质量变差、内部应力增大。

图9 铌酸锂辐照试验前后的摇摆曲线

4.2 测量换能器机电耦合系数的相对变化

为了测量铌酸锂换能器(X切向,激发剪切波)的机电耦合系数,需要在铌酸锂换能器的两个面镀上金电极。如图10所示,同一片换能器上制作了k6、k7和k83个电极。换能器频率特性测量示意图如图11所示。

图10 镀了电极的铌酸锂换能器

图11 换能器频率特性测量示意图

按照下式计算换能器的机电耦合系数[6]:

(3)

式中:fs为谐振频率;fp为反谐振频率。

中子辐照实验前后酸锂换能器测量数据及计算结果参见表1。由表可知,换能器k6、k7和k8的机电耦合系数实测值约0.64,接近理论值0.68;中子辐照使铌酸锂换能器(X切型)的机电耦合系数降低了约1.26%。

表1 中子辐照对铌酸锂换能器的影响

电离辐照实验前后酸锂换能器测量数据及计算结果参见表2。由表可知,换能器k6、k7和k8机电耦合系数实测值约0.63,接近理论值0.68;电离辐照使铌酸锂换能器(X切型)的机电耦合系数降低了约0.86%。

表2 电离辐照对铌酸锂换能器的影响

5 滤光器器件的辐照特性

工作频率(光波长)、衍射效率和光谱分辨率是声光滤光器最重要的技术指标,对这些性能指标开展了抗辐射特性研究。

5.1 滤光器的工作频率与衍射效率

声光可调滤光器的滤光特性是:滤出的光波长与驱动频率成一一对应关系,因此,测量滤光器的驱动频率能分析声光滤光器的滤光特性。由于声光滤光器的驱动频率与光的入射角有关,为了准确测量滤光器的频率特性,我们采用激光进行测量。

测试框图如图12所示,测试激光器分为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种。滤光器分为高频段和低频段两个输入端口,高频段采用1 064 nm激光器和1 319 nm激光器测量,低频段采用1 550 nm激光器和2 mm激光器测量。

图12 衍射效率测试框图

测试方法:开启激光器、直流稳压电源、光功率计和计算机,激光器预热20 min,调整器件的位置角度,使激光垂直从通光孔中心穿过,再调节驱动器的工作频率,使衍射光最强(记录工作频率),用光功率计测试衍射光的功率P1;关闭直流稳压电源,用光功率计测试0级光的功率P0。其衍射效率η为

(4)

用4种激光器分别测试滤光器F1与F2,测得频率特性见表3,衍射效率见表4。由表3可见,对于同一光波长,辐照实验前后的工作频率变化量非常小,考虑到测量误差,可以认为工作频率无变化。根据滤光器工作频率与光波长一一对应关系,工作频率无变化,则滤出的光波长也无变化,滤光功能正常。

表3 滤光器辐照前后的频率特性

表4 滤光器辐照前后的衍射效率特性

由表4可见,中子辐照与电离辐照实验后,衍射效率降低了约2%,这与前面分析的声光介质质量变差、换能器机电耦合系数降低相吻合。

5.2 滤光器光谱分辨率变化情况

光谱分辨率也是滤光器的关键技术指标,采用专用的声光滤光器性能测试系统测试光谱分辨率,测试框图如图13所示。

图13 声光滤光器性能测试系统框图

光谱分辨率测试结果见表5。测试系统光源使用iHR320型单色仪,光栅600 g/mm,狭缝0.3 mm×0.3 mm,色散常数2.74 nm/mm,这使光谱分辨率存在±1 nm的测试误差。若考虑此测试误差,则可认为光谱分辨率实验前后未发生明显变化。

6 实验分析

滤光器在设计时应尽量选用对辐照不敏感的材料,声光介质氧化碲晶体和铌酸锂换能器是必须采用的材料。

氧化碲晶体在受到中子辐照与电离辐照后,其晶格常数不变,虽然内部应力增大,但其滤光功能正常,滤出光谱的光谱分辨率未发生明显变化,仅频率特性有细微变化:中子辐照存在使工作频率增加的趋势,电离辐照存在使工作频率减小的趋势。根据式(1)推算,中子辐照使滤出的光波长减小了约0.3 nm,相对变化量降低了约0.02%;电离辐照使滤出的光波长增加了约0.03 nm,相对变化量增加了约0.003%,这个变化非常小,通常情况下可以忽略不计。

铌酸锂换能器在受到中子辐照与电离辐照后,其晶格常数不变,虽然内部应力增大,但其将电信号转换为声信号的功能正常,仅机电耦合系数有降低的趋势:中子辐照使机电耦合系数降低了约1.26%,电离辐照使机电耦合系数降低了约0.86%。

辐照实验后,滤光器衍射效率下降了约2%,这与氧化碲质量变差、换能器机电耦合系数降低相吻合。

7 结束语

本文对滤光器及滤光器中的两个关键材料——氧化碲晶体与铌酸锂换能器进行了中子辐照和电离辐照实验,并对比分析了辐照实验前后的性能变化情况。实验表明,中子辐照和电离辐照对氧化碲晶体、铌酸锂换能器及滤光器的影响都非常小,因此,滤光器能较好地适应深空探测中的辐照条件,是深空探测光谱成像/分析领域应用中理想的分光器件。