微波声学

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研究固体中微波超声(频率高于 109赫的声波)的产生、检测和传播特性,以及与各种微观结构和物理过程的相互作用的学科。微波声学是一门新兴学科,十多年来发展迅速,并且已根据其原理发展出一系列新型的微声器件.本文简单地介绍了微声体波与表面波目前达到的水平,微波声子与电子、热声子、磁子、电子自旋量子以及核自旋量子等的相互作用以及它在研究固体方面的应用;表面声波的传播规律和表面波微声器件的现状及其发展前景;微声材料的现状及要求等.也指出了上述诸方面还存在的问题和其发展前途.重点放在表面声波及其器件方面.[1] 

微波声学简介

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研究固体中微波超声(频率高于 109赫的声波)的产生、检测和传播特性,以及与各种微观结构和物理过程的相互作用的学科。它是声学的一个分支。频率为1011赫以上的声波可称为特超声。
微波声学是超声学的发展和继续。19世纪末建立了超声学的基本理论。随着电子技术的出现和发展,超声学不断地向高频发展,1947年,用高次谐波法首次获得1吉赫的体声波,从而进入了微波频段。1958年,用非共振激发得到2.5吉赫的体声波,60年代又逐渐提高到24吉赫、70吉赫和114吉赫。1975年,用远红外激光作为电磁激励源,得到1012 赫数量级的相干声子。在此期间还提出了其他研究相干或非相干高频声波的各种方法。另一方面,自从表面声波的交指换能器在1965年问世以后,表面声波技术和器件也得到了迅速发展和广泛应用。

微波声学特点

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微波声学保留了传统声学和超声学的基本原理和方法,但具有一系列的重要特点。在理论方面,连续介质的经典理论须由量子理论代替。为了使晶格振动量子化,引入了声子概念。波长为λ 的声波与能量为hv的声子(v是相应的频率,h是普朗克常数)相对应。声子作为一种准粒子,自旋为零,遵守玻色-爱因斯坦统计分布率。因此,声场的特性就是大量声子的统计行为。在实验方面,由于声子束在传播介质中与晶体的热声子相互作用而迅速衰减,因此微波超声的实验研究(尤其当频率较高时)应在低温条件下进行。鉴于声子在波长、能级和不显电性等方面的特点,它是固体物理学中十分活跃的准粒子,因而微波声学广泛应用于声子与光子、电子、自旋、杂质、缺陷等微观结构相互作用的研究。

微波声学微波超声的产生和检测

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可借助电、磁、光、热、超导隧道结等多种方法来产生和检测微波超声。最常用的方法是压电的电磁激励,即在压电单晶薄片或压电薄膜上施加交变电磁场,激发沿厚度方向的基频或谐频共振,从而获得高频体声波。或者把经过光学加工的压电单晶的一个端面置于强微波电磁场或谐振腔中,利用非谐振的压电表面激发得到高频体声波。

微波声学磁学方法

在样品端面上蒸镀一层坡莫合金或镍、钴一类的铁磁薄膜,通过外磁场引起自旋共振,利用薄膜的磁致伸缩效应获得高频体声波。

微波声学光学方法

利用光的受激布里渊散射或某些离子晶体中的杂质离子在吸收光子后的无辐射跃迁过程,来产生或检测高频体声波。

微波声学热脉冲方法

使样品端面上的金属薄膜在光或电磁脉冲的作用下受到热激发,辐射出宽带的、非相干的声子脉冲。相应地可以用超导的测热辐射器件作为声子检测器。

微波声学超导单电子隧道结方法

通过准粒子的弛豫过程和复合过程,可以得到宽带的或准单色的声子。超导约瑟夫逊结也可用作可调的、单色声子源,其声子频率即为约瑟夫逊频率。

微波声学压电的电磁激励

微波频段的表面声波主要借助于交指换能器激发。用普通光刻工艺或电子束刻蚀方法在压电衬底上制备两组交指状的金属电极,并在两端施加交流电压,则由于压电效应而产生表面声波。当所产生的表面声波的波长与交指的周期相同时,激发的效率最高。

微波声学传播

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当微波超声的频率低于1012赫时,在固体中的传播速度与低频声速相同;当频率高于1012赫时,波束与频率不再是线性关系,其函数图形称为声子色散曲线,它决定声子传播的群速和相速。在各向异性晶体中,会出现声子聚焦效应。微波超声在介质中传播时,其衰减系数随频率的提高而增加,也随温度的提高而迅速增加。按朗道-鲁默模型,衰减系数应与ωT4成正比(ω为超声的角频率,T为绝对温度)。

微波声学应用

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60年代以来,微波声学在其自身迅速发展的同时,已广泛应用于固体物理的各个领域,后来在声-声相互作用、声电效应、声光效应、磁声效应等方面都不断出现新的研究成果。例如声的吸收机制和声子寿命、声的量子振荡、声的行波放大、声的顺磁共振和量子放大、声子回波、布里渊散射和受激布里渊散射,以及将声子测量用于测量金属的费米面、测量晶体的高次弹性系数、测量超导能隙以及测量非晶材料的双能级等。
另一方面,微波声学的应用也渗透到电子学的各个领域。例如微波超声的体波延迟线和利用表面声波的延时、展开、过滤、相关、编码、译码等功能制成的各种表面声波器件,已被广泛应用于雷达通信电视、计算机等设备。工作在微波频段的声学显微镜对被观察物体的声学成像具有可以与光学显微镜相当的分辨率,而且对于光学不透明的物体显示出突出的优点,在生物、医学、微电子学以及材料科学等方面有着广泛的应用前景。
参考资料
词条标签:
理学