Патент на изобретение №2371259

(54) СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

(57) Реферат:

Изобретение относится к области акустоэлектроники и может быть использовано в генераторах, фильтрах, линиях задержки, других устройствах, использующих поверхностные акустические волны. Сущность: колебания возбуждают воздействием лазерного излучения на опаловую матрицу на длине волны в области ее фотонной запрещенной зоны. При этом опаловую матрицу охлаждают до температуры менее 200 К. Межсферические пустоты опаловой матрицы могут быть заполнены этанолом. Технический результат: расширение диапазона генерации объемных поверхностных акустических волн, по крайней мере, до 22,5 ГГц при значительном возрастании коэффициента преобразования энергии. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к области электроники, а именно акустоэлектроники, и может быть использовано при разработке и изготовлении различных устройств, в которых используются объемные и поверхностные акустические волны, таких как генераторы, фильтры, линии задержки, системы обработки радиосигналов и другие.

Известны различные способы генерации в твердотельных системах объемных и поверхностных акустических волн [1-3]. В случае поверхностных акустических волн (ПАВ), распространяющихся в тонком слое подложки, способы генерации различаются по механизмам возмущения поверхности (приповерхностного слоя) такой системы. В основном, используемые методы основаны на применении пьезоэлектрических материалов и встречно-штыревых преобразователей, состоящих из “вставленных” друг в друга (и размещенных на поверхности) гребенок металлических электродов, так что каждая соединена с общей контактной шиной, на которую подается электрическая энергия (напряжение). В результате установившееся в системе распределение электрического поля обладает периодичностью, определимой пространственным периодом электродов. Различных типов встречно-штыревых преобразователей довольно много, но устройства, в которых они применяются, в основном, сводятся к следующим: фильтры, линии задержки, генераторы, резонаторы.

В зависимости от используемого диапазона длин волн применяются для создания встречно-штыревых преобразователей различные виды литографии, однако, по целому ряду причин, основные из которых сводятся к трудностям получения малых периодов и большими коэффициентами поглощения, генерация и применение акустических волн, в частности ПАВ, с частотами свыше 4-5 ГГц не целесообразна и затруднительна с использованием указанных классических схем [1].

Наряду с поверхностными акустическими волнами используются объемные акустические волны, например в устройствах типа резонаторов, изготовляемых с использованием пьезоэлектрических кристаллов, в частности кварца. Поскольку действие подобных резонаторов основано на многократном отражении объемных волн от противоположных поверхностей, получение высоких добротностей ограничивается объемными потерями, а частотный диапазон (как правило, не превышающий 300 МГц) – толщинами резонирующей пластинки из пьезоэлектрика, которая сопоставима с длиной волны. Поэтому, для расширения диапазона частот, используются резонаторы и фильтры на ПАВ с использованием пленочных структур различных материалов, наносимых на подложки. Однако, даже при использовании алмазоподобных пленок и современных литографий, достигнутые частоты не превышают 5 ГГц.

Известно также, что взаимодействие импульсов мощного лазерного излучения с диэлектрической средой может приводить (при определенных условиях) к возбуждению интенсивного гиперзвука и вызывать энергетический обмен между фононной и фотонной модами. Например, известны способы [1-4] генерации гиперзвука в изотропных и анизотропных средах с использованием фотоупругих и термоупругих эффектов, в которых частотный диапазон не превышает 1 ГГц, во всяком случае, с достаточно эффективными для практического применения коэффициентами преобразования внешней энергии в акустические волны.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является способ, описанный в [2], при котором используется анизотропная среда в виде кристалла или поликристалла цинка с нанесенного на него слоями окиси цинка. Использовался импульсный (100 фемтосекунд) Ti- сапфировый лазер на длине волны 800 нм при энергии накачки в каждом импульсе в 2 nJ и диаметре пучка 40 микрон. Возбуждаемая частота гиперзвука соответствовала периодичности возбуждения (76 МГц).

Технический результат предлагаемого способа заключается в значительном расширении диапазона генерации объемных и поверхностных акустических волн, по крайней мере, до 22,5 ГГц, полученных экспериментально, при значительном возрастании коэффициентов преобразования внешней энергии в акустические волны (до 44%) (таблица).

Предлагаемый способ основан на создании акустических колебаний, соответствующих собственным частотам наносфер SiO₂ (из которых состоит регулярная упаковка опаловой матрицы) за счет взаимодействия электромагнитных волн оптического диапазона (фотонов) с акустическими модами (фононы) данного материала. При этом используемый диапазон электромагнитного излучения выбирается из области запрещенной фотонной зоны, поскольку на краю зоны плотность фотонных состояний существенно возрастает.

Поскольку свойства гиперзвуковой волны определяются параметрами используемой среды, предлагается для генерации звуковых волн применять опаловые матрицы, которые представляют собой плотноупакованные (в основном, по кубическому закону) очень близкие по диаметру наносферы SiO₂, размеры которых в различных образцах могут варьироваться от 200 до 400 нм. На фиг.1 приведена схема строения опаловой матрицы и подрешетки пустот в опаловой матрице [4]. Регулярная упаковка наносфер SiO₂ образует трехмерную решетку с указанной периодичностью и может быть охарактеризована как трехмерная нанорешетка пустот, играющих роль микрорезонаторов, а вся система, в целом, как фотонный кристалл или материал с фотонной запрещенной зоной. В подобных структурах имеются два типа межсферических пустот, образующих тетраэдрические и октаэдрические нанополости размерами от 50 до 150 нм для указанных размеров наносфер. Подобные пустоты занимают около 24% от общего объема и могут быть заполнены различными веществами.

В проведенных экспериментах для образцов с регулярной упаковкой наносфер SiO₂, в которых нанопустоты (межсферическое пространство) образуют систему микрорезонаторов, для наблюдения акустических колебаний, использовалась экспериментальная схема, основанная на измерении частоты излучения, рассеянного на гиперзвуке в вынужденном режиме. Возбуждение осуществлялось сфокусированным излучением рубинового лазера. В качестве образцов использовались опаловые матрицы с диаметром наносфер 200-300 нм. Используемые образцы имели размеры 3×5×5 мм и были вырезаны параллельно плоскости (111). Исследовались как опаловые матрицы, состоящие из плотноупакованных наносфер аморфного кремнезема с диаметрами в диапазоне 200-300 нм и монодисперсностью не хуже 5%, так и нанокомпозиты (опаловые матрицы с пустотами, заполненными этанолом) на экспериментальной установке, показанной на фиг.2, на которой представлен (в виде схемы) способ реализации предлагаемого изобретения со следующими обозначениями: 1 – рубиновый лазер, 2, 5, 11 – стеклянные пластины, 3 – система контроля параметров лазера, 4, 12 – системы измерения энергии рассеянного света в прямом и обратном направлении, 6, 13 – интерферометры Фабри-Перо, 7, 14 – системы регистрации спектров, 8 – зеркало, 9 – линза, 10 – опаловая матрица. Во всех экспериментах использовался рубиновый лазер, чей частотный диапазон (694.3 нм) излучения находится в области фотонной запрещенной зоны опаловой матрицы (650-750 нм для использованных матриц).

Спектральные измерения проводились с использованием интерферометра Фабри-Перо с различными базами, что позволило менять область дисперсии от

0.42 см^-1 до 1.67 см^-1. Возбуждающее излучение фокусировалось в вещество линзами с различным фокусным расстоянием (50, 90 и 150 мм). Расстояние опаловой матрицы от фокусирующей системы и энергия возбуждающего излучения менялись, что давало возможность проводить измерения для различной плотности мощности накачки в образец опаловой матрицы и для различного распределения поля внутри образца. Исследования проводились при различных энергетических и геометрических условиях. Для незаполненной опаловой матрицы с геометрией рассеяния “назад” при плотности мощности накачки больше 0.12 ГВт/см² в спектре обнаружилась одна компонента, сдвинутая относительно компоненты, соответствующей возбуждающему излучению, на величину 0.44 см^-1 – на фиг.3 приведен спектр рассеяния в опаловой матрице в направлении геометрии “назад” при области дисперсии интерферометра Фабри-Перо 0,833 см^-1.

Следует отметить, что опаловая матрица (24% объема которой приходится на межсферические пустоты), заполненная этанолом, становилась практически прозрачной, поскольку показатели преломления компонент такого нанокомпозита (опаловой матрицы и жидкости) близки. Последнее позволяло наблюдать рассеяние света в направлении «вперед». В случае экспериментов в направлении “назад” при плотности мощности накачки более 0,12 ГВт/см² для опаловых матриц, заполненных этанолом, наблюдалась одна компонента со сдвигом частоты 0,4 см^-1; увеличение плотности мощности накачки до 0,21 ГВт/см² приводило к появлению второй компоненты с частотным сдвигом 0,65 см^-1.

В таблице приведены примеры осуществления предлагаемого способа по генерации акустических волн (для использованных образцов и различных геометрий эксперимента) в виде следующих данных: коэффициенты преобразования лазерной генерации и частоты генерации звуковых колебаний, а также частотные сдвиги компонент рассеянного излучения при комнатной температуре и при охлаждении жидким азотом.

Таблица примеров 1-8
примера/коэффициент преобразования лазерной генерации,%	Анизотропная среда	Геометрия рассеивания	Свойства опаловой матрицы	Величина сдвига, , см-1	Частота гиперзвука, ГГц
Комнатная температура (300 К)
1/4	Опаловая матрица	“назад”	Диаметр наносфер 250 нм, монодисперсность – 4,5%	0.44	8.8
2/8	Опаловая матрица	“назад”	Диаметр наносфер 250 нм, монодисперсность – 8,0%	0.39	7.8
3/12	Опаловая матрица, заполненная этанолом	“назад”	Диаметр наносфер 220 нм, монодисперсность – 4,0%	0.63	12.6
4/10	Опаловая матрица, заполненная этанолом	“вперед”	Диаметр наносфер 290 нм, монодисперсность – 4,5%	0.37	8.8
Температура опаловой матрицы при охлаждении жидким азотом (120 К)
5/4	Опаловая матрица	“назад”	Диаметр наносфер 350 нм, монодисперсность – 5,0%	0.38	7.3
6/6	Опаловая матрица, заполненная этанолом	“вперед”	Диаметр наносфер 250 нм, монодисперсность – 7,5%	0.40	8.0
7/24	Опаловая матрица, заполненная этанолом	“вперед”	Диаметр наносфер 250 нм, монодисперсность – 3,0%	0.77	15.7
8/44	Опаловая матрица, заполненная этанолом	“вперед”	Диаметр наносфер 200 нм, монодисперсность – 4,5%	1.13	22.6

При тех же условиях и мощностях излучения лазера при воздействии на анизотропную среду в виде образца ZnO (слои)/Zn (по прототипу) был получен гиперзвук, предположительно в области 70 МГц, с коэффициентом преобразования лазерной генерации менее 1%.

Высокая эффективность преобразования (более 40%) лазерной генерации в излучение на смещенной частоте по предлагаемому способу свидетельствует о высоких интенсивностях гиперзвука, возбуждаемого в исследуемых образцах. Эффективность возникновения вынужденного излучения в сине-зеленой области обеспечивается аномально высокими плотностями фотонных состояний вблизи краев фотонной зоны.

Источники информации

1. Поверхностные акустические волны. Под редакцией А.Олинера. М.: Мир, 1981, 390 с.

2. Т.Pezeri, P.Ruello, S. Gougon. Generation and detection of plane coherent shear picosecond acoustic pulse by lasers: experiment and theory. Physical Rev. В 75. 174307 – 1-9. (2007).

3. Гуляев Ю.В. Акустоэлектроника. УФНю, т.175, 8, с.887-893 (2005).

4. Наноматериалы: Фотонные кристаллы и нанокомпозиты на основе опаловых матриц. Под ред. М.И.Самойловича. М.: Техномаш, 2007, 303 с.

Формула изобретения

1. Способ генерации акустических волн с использованием действия лазерного излучения на анизотропную среду, отличающийся тем, что колебания возбуждают воздействием лазерного излучения на опаловую матрицу на длине волны в области ее фотонной запрещенной зоны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что опаловая матрица охлаждают до температуры менее 200 К.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что межсферические пустоты опаловой матрицы заполняют этанолом, при этом отклонения от среднего (монодисперсность) для диаметров наносфер SiO₂ из диапазона 200-300 нм не превышают 5%.

РИСУНКИ