標籤:微波聲學

研究固體中微波超聲(頻率高於 109赫的聲波)的產生、檢測和傳播特性,以及與各種微觀結構和物理過程的相互作用的學科。

1簡介

研究固體中微波超聲(頻率高於 109赫的聲波)的產生、檢測和傳播特性,以及與各種微觀結構和物理過程的相互作用的學科。它是聲學的一個分支。頻率為1011赫以上的聲波可稱為特超聲。  
微波聲學是超聲學的發展和繼續。19世紀末建立了超聲學的基本理論。隨著電子技術的出現和發展,超聲學不斷地向高頻發展,1947年,用高次諧波法首次獲得1吉赫的體聲波,從而進入了微波頻段。1958年,用非共振激發得到2.5吉赫的體聲波,60年代又逐漸提高到24吉赫、70吉赫和114吉赫。1975年,用遠紅外激光作為電磁激勵源,得到1012 赫數量級的相干聲子。在此期間還提出了其他研究相干或非相干高頻聲波的各種方法。另一方面,自從表面聲波的交指換能器在1965年問世以後,表面聲波技術和器件也得到了迅速發展和廣泛應用。

2特點

微波聲學保留了傳統聲學和超聲學的基本原理和方法,但具有一系列的重要特點。在理論方面,連續介質的經典理論須由量子理論代替。為了使晶格振動量子化,引入了聲子概念。波長為λ 的聲波與能量為hv的聲子(v是相應的頻率,h是普朗克常數)相對應。聲子作為一種准粒子,自旋為零,遵守玻色-愛因斯坦統計分佈率。因此,聲場的特性就是大量聲子的統計行為。在實驗方面,由於聲子束在傳播介質中與晶體的熱聲子相互作用而迅速衰減,因此微波超聲的實驗研究(尤其當頻率較高時)應在低溫條件下進行。鑒於聲子在波長、能級和不顯電性等方面的特點,它是固體物理學中十分活躍的准粒子,因而微波聲學廣泛應用於聲子與光子、電子、自旋、雜質、缺陷等微觀結構相互作用的研究。

3微波超聲的產生和檢測

可藉助電、磁、光、熱、超導隧道結等多種方法來產生和檢測微波超聲。最常用的方法是壓電的電磁激勵,即在壓電單晶薄片或壓電薄膜上施加交變電磁場,激發沿厚度方向的基頻或諧頻共振,從而獲得高頻體聲波。或者把經過光學加工的壓電單晶的一個端面置於強微波電磁場或諧振腔中,利用非諧振的壓電錶面激發得到高頻體聲波。  
光學方法
利用光的受激布里淵散射或某些離子晶體中的雜質離子在吸收光子后的無輻射躍遷過程,來產生或檢測高頻體聲波。  
超導單電子隧道結方法
通過准粒子的弛豫過程和複合過程,可以得到寬頻的或准單色的聲子。超導約瑟夫遜結也可用作可調的、單色聲子源,其聲子頻率即為約瑟夫遜頻率。  

壓電的電磁激勵

微波頻段的表面聲波主要藉助於交指換能器激發。用普通光刻工藝或電子束刻蝕方法在壓電襯底上製備兩組交指狀的金屬電極,並在兩端施加交流電壓,則由於壓電效應而產生表面聲波。當所產生的表面聲波的波長與交指的周期相同時,激發的效率最高。

4傳播

當微波超聲的頻率低於1012赫時,在固體中的傳播速度與低頻聲速相同;當頻率高於1012赫時,波束與頻率不再是線性關係,其函數圖形稱為聲子色散曲線,它決定聲子傳播的群速和相速。在各向異性晶體中,會出現聲子聚焦效應。微波超聲在介質中傳播時,其衰減係數隨頻率的提高而增加,也隨溫度的提高而迅速增加。按朗道-魯默模型,衰減係數應與ωT4成正比(ω為超聲的角頻率,T為絕對溫度)。

5應用

60年代以來,微波聲學在其自身迅速發展的同時,已廣泛應用於固體物理的各個領域,後來在聲-聲相互作用、聲電效應、聲光效應、磁聲效應等方面都不斷出現新的研究成果。例如聲的吸收機制和聲子壽命、聲的量子振蕩、聲的行波放大、聲的順磁共振和量子放大、聲子回波、布里淵散射和受激布里淵散射,以及將聲子測量用於測量金屬的費米面、測量晶體的高次彈性係數、測量超導能隙以及測量非晶材料的雙能級等。
另一方面,微波聲學的應用也滲透到電子學的各個領域。例如微波超聲的體波延遲線和利用表面聲波的延時、展開、過濾、相關、編碼、解碼等功能製成的各種表面聲波器件,已被廣泛應用於雷達、通信、電視、計算機等設備。工作在微波頻段的聲學顯微鏡對被觀察物體的聲學成像具有可以與光學顯微鏡相當的解析度,而且對於光學不透明的物體顯示出突出的優點,在生物、醫學、微電子學以及材料科學等方面有著廣泛的應用前景。

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