RU2371259C1 - Method of generating acoustic waves - Google Patents
Method of generating acoustic waves Download PDFInfo
- Publication number
- RU2371259C1 RU2371259C1 RU2008122715/28A RU2008122715A RU2371259C1 RU 2371259 C1 RU2371259 C1 RU 2371259C1 RU 2008122715/28 A RU2008122715/28 A RU 2008122715/28A RU 2008122715 A RU2008122715 A RU 2008122715A RU 2371259 C1 RU2371259 C1 RU 2371259C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- opal
- acoustic waves
- matrix
- opal matrix
- nanospheres
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to the field of electronics, namely acoustoelectronics, and can be used in the design and manufacture of various devices that use bulk and surface acoustic waves, such as generators, filters, delay lines, radio signal processing systems and others.
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.There are various methods of generating in solid-state systems of bulk and surface acoustic waves [1-3]. In the case of surface acoustic waves (SAWs) propagating in a thin layer of a substrate, the generation methods differ in the mechanisms of perturbation of the surface (surface layer) of such a system. Basically, the methods used are based on the use of piezoelectric materials and interdigital transducers, consisting of metal electrodes "inserted" into each other (and placed on the surface), so that each is connected to a common contact bus to which electrical energy (voltage ) As a result, the distribution of the electric field established in the system has a periodicity determined by the spatial period of the electrodes. There are a lot of different types of interdigital converters, but the devices in which they are used mainly come down to the following: filters, delay lines, generators, resonators.
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].Depending on the wavelength range used, different types of lithography are used to create interdigital transducers, however, for a number of reasons, the main of which are the difficulties of obtaining short periods and large absorption coefficients, the generation and use of acoustic waves, in particular surfactants, with frequencies above 4-5 GHz is not appropriate and difficult using the indicated classical schemes [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.Along with surface acoustic waves, bulk acoustic waves are used, for example, in devices such as resonators manufactured using piezoelectric crystals, in particular quartz. Since the action of such resonators is based on the multiple reflection of body waves from opposite surfaces, obtaining high Q factors is limited by volume losses, and the frequency range (usually not exceeding 300 MHz) is limited by the thickness of a piezoelectric resonator plate, which is comparable to the wavelength. Therefore, to expand the frequency range, resonators and SAW filters are used using film structures of various materials deposited on substrates. However, even when using diamond-like films and modern lithographs, the achieved frequencies do not exceed 5 GHz.
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.It is also known that the interaction of pulses of high-power laser radiation with a dielectric medium can lead (under certain conditions) to the generation of intense hypersound and cause an energy exchange between the phonon and photon modes. For example, there are known methods [1-4] for generating hypersound in isotropic and anisotropic media using photoelastic and thermoelastic effects in which the frequency range does not exceed 1 GHz, in any case, with coefficients for converting external energy into acoustic waves that are sufficiently effective for practical use.
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).The closest analogue (prototype) is the method described in [2], which uses an anisotropic medium in the form of a crystal or polycrystal of zinc deposited on it with layers of zinc oxide. We used a pulsed (100 femtoseconds) Ti-sapphire laser at a wavelength of 800 nm with a pump energy of 2 nJ in each pulse and a beam diameter of 40 microns. The excited hypersonic frequency corresponded to the excitation frequency (76 MHz).
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).The technical result of the proposed method is to significantly expand the generation range of volumetric and surface acoustic waves to at least 22.5 GHz obtained experimentally, with a significant increase in the coefficients of conversion of external energy into acoustic waves (up to 44%) (table).
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.The proposed method is based on the creation of acoustic vibrations corresponding to the natural frequencies of SiO 2 nanospheres (of which the regular packing of the opal matrix consists) due to the interaction of electromagnetic waves of the optical range (photons) with acoustic modes (phonons) of this material. In this case, the used range of electromagnetic radiation is selected from the region of the forbidden photon zone, since at the edge of the zone the density of photon states increases significantly.
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.Since the properties of a hypersonic wave are determined by the parameters of the medium used, it is proposed to use opal matrices to generate sound waves, which are close-packed (mainly according to the cubic law) very close in diameter SiO 2 nanospheres, the sizes of which in different samples can vary from 200 to 400 nm . Figure 1 shows the structure of the opal matrix and the sublattice of voids in the opal matrix [4]. The regular packing of SiO 2 nanospheres forms a three-dimensional lattice with the indicated periodicity and can be described as a three-dimensional nanogrid of voids playing the role of microresonators, and the whole system as a whole is a photonic crystal or a material with a photonic band gap. In such structures, there are two types of interspherical voids forming tetrahedral and octahedral nanocavities with sizes from 50 to 150 nm for the indicated sizes of nanospheres. Such voids occupy about 24% of the total volume and can be filled with various substances.
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).In the experiments performed for samples with regular packing of SiO 2 nanospheres, in which nanowells (inter-spherical space) form a system of microresonators, to observe acoustic vibrations, we used an experimental scheme based on measuring the frequency of radiation scattered by hypersound in the forced mode. Excitation was carried out by focused radiation of a ruby laser. As samples, opal matrices with a nanosphere diameter of 200-300 nm were used. The samples used were 3 × 5 × 5 mm in size and were cut parallel to the (111) plane. We studied both opal matrices consisting of close-packed nanospheres of amorphous silica with diameters in the range of 200-300 nm and monodispersity of at least 5%, and nanocomposites (opal matrices with voids filled with ethanol) in the experimental setup shown in Fig. 2, in which presents (in the form of a diagram) a method for implementing the present invention with the following notation: 1 - ruby laser, 2, 5, 11 - glass plates, 3 - system for monitoring laser parameters, 4, 12 - direct energy systems for measuring scattered light reverse, 6, 13 - Fabry-Perot interferometers, 7, 14 - registration system spectra 8 - mirror 9 - lens, 10 - opal matrix. In all experiments, a ruby laser was used, whose frequency range (694.3 nm) of the radiation is in the photonic band gap of the opal matrix (650-750 nm for the matrices used).
Спектральные измерения проводились с использованием интерферометра Фабри-Перо с различными базами, что позволило менять область дисперсии отSpectral measurements were carried out using a Fabry-Perot interferometer with different bases, which made it possible to change the dispersion region from
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-1.0.42 cm -1 to 1.67 cm -1 . The exciting radiation was focused into the substance by lenses with different focal lengths (50, 90, and 150 mm). The distance of the opal matrix from the focusing system and the energy of the exciting radiation varied, which made it possible to carry out measurements for different pump power densities in the opal matrix and for different field distributions inside the sample. The studies were carried out under various energy and geometric conditions. For an unfilled opal matrix with a backward scattering geometry with a pump power density greater than 0.12 GW / cm 2 , one component was found in the spectrum, shifted relative to the component corresponding to the exciting radiation, by 0.44 cm -1 - Fig. 3 shows the scattering spectrum in opal the matrix in the direction of the geometry "back" with the dispersion region of the Fabry-Perot interferometer 0.833 cm -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.It should be noted that the opal matrix (≈24% of the volume of which is accounted for by inter-spherical voids) filled with ethanol became almost transparent, since the refractive indices of the components of such a nanocomposite (opal matrix and liquid) are close. The latter made it possible to observe the scattering of light in the forward direction. In the case of experiments in the "back" direction at a pump power density of more than 0.12 GW / cm 2 for opal matrices filled with ethanol, one component was observed with a frequency shift of 0.4 cm -1 ; an increase in the density of the pump power to 0.21 GW / cm 2 led to the appearance of the second component with a frequency shift of 0.65 cm -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.The table shows examples of the proposed method for generating acoustic waves (for the samples used and various experimental geometries) in the form of the following data: conversion coefficients of laser generation and frequency of generation of sound vibrations, as well as frequency shifts of scattered radiation components at room temperature and upon cooling with liquid nitrogen .
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%.Under the same conditions and laser radiation powers when exposed to an anisotropic medium in the form of a ZnO sample (layers) / Zn (according to the prototype), hypersound was obtained, presumably in the 70 MHz region, with a laser generation conversion coefficient of less than 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.The high conversion efficiency (over 40%) of laser generation into radiation at a displaced frequency by the proposed method indicates high intensities of hypersound excited in the samples under study. The efficiency of stimulated emission in the blue-green region is ensured by anomalously high densities of photon states near the edges of the photon band.
Источники информацииInformation sources
1. Поверхностные акустические волны. Под редакцией А.Олинера. М.: Мир, 1981, 390 с.1. Surface acoustic waves. Edited by A. Oliner. M .: Mir, 1981, 390 p.
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).2. T. Pezeri, P. Ruello, S. Gougon. Generation and detection of plane coherent shear picosecond acoustic pulse by lasers: experiment and theory. Physical Rev. B 75.174307 - 1-9. (2007).
3. Гуляев Ю.В. Акустоэлектроника. УФНю, т.175, №8, с.887-893 (2005).3. Gulyaev Yu.V. Acoustoelectronics. UFNu, vol. 175, No. 8, pp. 887-893 (2005).
4. Наноматериалы: Фотонные кристаллы и нанокомпозиты на основе опаловых матриц. Под ред. М.И.Самойловича. М.: Техномаш, 2007, 303 с.4. Nanomaterials: Photonic crystals and nanocomposites based on opal matrices. Ed. M.I. Samoilovich. M.: Tekhnomash, 2007, 303 p.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008122715/28A RU2371259C1 (en) | 2008-06-07 | 2008-06-07 | Method of generating acoustic waves |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008122715/28A RU2371259C1 (en) | 2008-06-07 | 2008-06-07 | Method of generating acoustic waves |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2371259C1 true RU2371259C1 (en) | 2009-10-27 |
Family
ID=41353033
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008122715/28A RU2371259C1 (en) | 2008-06-07 | 2008-06-07 | Method of generating acoustic waves |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2371259C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2480159C1 (en) * | 2011-09-08 | 2013-04-27 | Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш" (ОАО ЦНИТИ "Техномаш") | Device for generation of targeted pulse x-ray radiation |
-
2008
- 2008-06-07 RU RU2008122715/28A patent/RU2371259C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2480159C1 (en) * | 2011-09-08 | 2013-04-27 | Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш" (ОАО ЦНИТИ "Техномаш") | Device for generation of targeted pulse x-ray radiation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Chutinan et al. | Light trapping and absorption optimization in certain thin-film photonic crystal architectures | |
Kawamura et al. | Holographic writing of volume-type microgratings in silica glass by a single chirped laser pulse | |
Leonard et al. | Attenuation of optical transmission within the band gap of thin two-dimensional macroporous silicon photonic crystals | |
Hu et al. | Free-electron radiation engineering via structured environments | |
Kudryavtseva et al. | Photon–Phonon Interactions in Nanostructured Systems | |
Weber et al. | cw fiber laser of NdLa pentaphosphate | |
RU2371259C1 (en) | Method of generating acoustic waves | |
Lazcano et al. | Localization of acoustic modes in periodic porous silicon structures | |
Gorelik et al. | Stimulated Raman scattering in three-dimensional photonic crystals | |
CN110212401B (en) | A kind of on piece distributed feed-back optical parametric oscillator | |
Ganeev | Optical modification of semiconductor surfaces through the nanoripples formation using ultrashort laser pulses: Experimental aspects | |
US7310463B2 (en) | Optical structural body, its manufacturing method and optical element | |
Kurobori et al. | A narrow band, green‐red colour centre laser in LiF fabricated by femtosecond laser pulses | |
RU2371261C1 (en) | Device for generating surface acoustic waves | |
JP3940553B2 (en) | Upconversion optical element | |
Yoon et al. | Terahertz phonon engineering and spectroscopy with van der Waals heterostructures | |
RU2655469C1 (en) | Method for generating narrow-band terahertz radiation (embodiments) | |
CN113917763A (en) | Terahertz amplifier based on optical pumping graphene-medium composite super surface | |
Belotelov et al. | Optoacoustical transducer based on plasmonic nanoparticles | |
Denne | High-flux micro-resonators for X-ray and γ-ray lasers | |
JP3981736B2 (en) | Defect mode control method using three-dimensional photonic crystal | |
Tcherniega et al. | Stimulated low-frequency Raman scattering in nanostructures | |
RU175819U1 (en) | SOURCE OF NARROW-BAND THERAHZ RADIATION PRODUCED IN A LITHIUM NIOBAT CRYSTAL IN THE DIRECTION OF DISTRIBUTION OF EXCITING ULTRA-SHORT LASER PULSES | |
Крайский et al. | AA Kraysky1, AV Kraysky2, MA Kazaryan2, RA Zakharyan1 Institute of General Physics, Russian Academy of Sciences, Moscow 2 Physical Institute. PN Lebedev RAS, Moscow | |
CN117293635A (en) | Active coupling cavity coherent array laser |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20101122 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110608 |