一种高功率密度声光器件

王晓新，杨 涛，曹家强，张泽红，吴中超，刘 玲

(中电科技集团公司第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

声光器件是基于声光效应研制的一类光电器件，通过电调谐的方式可实现对光信号的强度、相位、频率的调制及光束偏转和滤光功能。声光器件因其自身优势在现代军事和民用领域得到了广泛应用。

随着技术的发展，越来越多整机和系统对声光器件提出了新的使用需求，主要体现在3方面：

1)工作波长超越了以往可见光和近红外的范畴，向更长的波段发展。

2)要求器件具有更高的衍射效率。

3)要求体积更小。

根据声光效应理论，在一定条件下满足前两项要求，需增加声光器件的驱动功率。增加驱动功率，减小体积，意味着声光器件功率密度的大幅提升。本文介绍了一种高功率密度声光器件，其功率密度达到了125.0 W/cm2。

1 原理

声光器件的基本原理如图1所示，射频驱动信号通过表电极和键合层施加在压电换能器上，产生相应频率的超声波，超声波经键合层耦合进入声光介质形成折射率光栅，当激光以一定角度入射到声光介质内时，将发生声光互作用，产生衍射光。

图1 声光器件基本原理

在图1所示的声光互作用中，声波矢量、输入光矢量、衍射光矢量需满足动量匹配条件，衍射光的相对强度[1]，即衍射效率η为

(1)

式中：λ为光波长；M2为声光介质的声光优值；L为电极长度；Pa为超声波功率；H为电极宽度。

声光器件的功率密度(ε)为施加在压电层单位有效工作面积上的射频功率，可由下式计算：

(2)

式中P为驱动功率。

2 器件设计

2.1 结构和材料设计

声光器件内部结构如图2所示，压电层即为通常所说的换能器，通过键合工艺与声光介质结合在一起，1～4层采用真空镀膜的方式得到，各镀层互相平行，它们对平面波传播的影响类似于传输线段。表电极1和中间金属层作为电极驱动压电层，焊接层3的作用是把压电层产生的机械振动耦合到声光介质中，电极层2、4是打底层，在制备焊接层前使键合面表层金属化，以利于后续膜层的制备和键合。压电层和声光互作用介质之间的2～4层统称为键合层[2]。

图2 器件内部结构示意图

在声光器件工作时，键合层将产生热损耗，随着器件驱动功率的增加，器件功率密度相应提高，键合层产生的热量急剧增加，温度快速上升。大量的实验和分析表明，键合层材料的熔点决定了声光器件键合层能够承受的最高温度，对承受功率密度能力和可靠性具有重要影响，如果键合层的温度接近或达到材料熔点，将导致键合层失效。因此，制作高功率密度声光器件需选用高熔点键合层材料。

常见的声光器件键合层材料如表1所示，传统声光器件电极层2、4普遍采用铬(Cr)，焊接层3采用铟(In)、锡(Sn)等材料。In、Sn等材料熔点偏低，无法满足高功率密度下的应用需求。

表1 常见键合层材料特性

在高功率密度声光器件设计方案中，电极层2、4采用银(Ag)，其熔点较高，且在非金属表面具有良好的附着性；焊接层3采用金(Au)，其熔点高于1 000 ℃，具有良好的导电和导热性能。

2.2 整体热设计

在高功率密度工作状态下，声光器件内部产生的热量急剧增加，为了将器件内部温度控制在安全范围内，保证产品可靠性，器件整体热设计显得尤为重要。

在高功率密度声光器件热设计中，首先需要考虑的是换能器信号输入问题，由于输入信号功率很大，信号输入部分的可靠性需要重点进行考虑。传统的大功率声光器件多使用顶压式信号输入方式，即采用电极片与表电极物理接触的方法实现信号输入，通过在电极部分填充导热层，可以实现换能器和键合层的快速散热，但该方案的信号导通方式为物理接触而非焊接，连接可靠性不高；另外一种是点焊式信号输入方案，一般需对换能器进行抛光，采用金丝球焊工艺将引线焊接到表电极，该方案连接稳定可靠，热导出速率不高，要求键合层能承受较高的温度。

经过分析和对比，采用的热设计方案如图3所示。在射频信号输入端采用点焊式方案：声光晶体上部的换能器抛光后溅射金表电极，采用金丝球焊工艺在表电极上完成引线点焊，焊点在表电极上呈对称阵列分布；器件的整体散热采用导热填充与水冷相结合的方案：声光晶体的侧面和底面通过厚约0.2 mm的导热填充层与金属壳体结合，填充层的导热系数可达4.0 W/(m·K)，由此在声光晶体和金属壳体间建立了大接触面、高速率的热传递通道；在器件外围壳体热设计方面，通过设置水冷通道来实现器件整体热导出。

图3 高功率声光器件热设计方案

基于该设计方案，通过ANSYS建立有限元热分析模型，对器件的温度分布情况进行了仿真和分析，并完成了热设计参数的调整和优化。器件的热仿真结果如图4所示。在功率密度为125.0 W/cm2、水温为22 ℃、气温为25 ℃状态下工作时，器件局部最高温度为64.5 ℃。该设计方案可实现热量从键合层到晶体和换能器，再到导热填充层和金属壳体的快速传递，有效降低键合层热负荷，保证声光器件键合层在高功率密度工作条件下的可靠性。

图4 高功率密度声光器件热仿真

3 实验结果

根据前文阐述的设计方案制作的高功率密度声光器件，声光介质采用石英晶体，晶体尺寸为33.5 mm×20 mm×7 mm，压电换能器采用36°Y-切铌酸锂，表电极长为30 mm，宽为0.8 mm，工作频率为40.68 MHz，工作波长为2 000 nm。实验框图如图5所示。经测试，驱动功率为30 W，衍射效率为81.6%，功率密度达到125.0 W/cm2。

图5 实验框图

4 结束语

文章介绍了一种高功率密度声光器件，提出了采用高熔点键合层材料来提高器件承受功率密度能力的设计思路和方法。通过对比、分析、仿真和优化，完成了高功率密度声光器件整体热设计，制作实验样品并进行了验证。

高功率密度即高功率、小体积，是声光器件未来的重要发展方向。高功率密度声光器件在战场感知、光电对抗、精确制导、信息对抗、军事通信、核爆模拟及新概念武器等军事领域具有广阔的应用前景。