【声光材料】
声光学是研究光与声相互作用所引起的各种物理效应及其规律与应用的一门交叉学科。20世纪30年代初，德拜等实验论证了声光互作用，但其真正成为一门科学，是在60年代初。
自激光器问世以来，人们一直致力于声光相互作用原理的开发应用研究。随着激光技术和微电子技术的迅速发展，以及高性能超声延迟线的出现，促进了声光技术的迅速发展。声光器件已用于激光束的控制和频域及时域的大带宽高密度实时信号处理中，逐渐形成一门新的信号处理技术——声光信号处理技术。声光材料的优值是表征材料的声光相互作用本领的一个性能参量。因此，声光器件都要求材料具有高声光优值。然而不同类型的声光器件有不同的性参数，因而其对材料性能的要求也有所不同。因此，人们从不同的应用出发，以声光衍射效率为基础，引入了用材料的基本性能参数表示的几个不同的声光优值公式，作为判断各种声光器件用介质材料优劣的基本准则。Smith和Korpel利用多种晶体、玻璃和塑料等各种固体材料，实验测量了在这些材料中被具有一定功率和横截面的声束衍射的光的功率，论证了衍射光功率正比于n6p2／v3P。这表明衍射光功率主要由声速v和材料的基本参数(光折射率n、光弹系数p及材料密度p)确定。这就是后来Dixon用来表征材料固有衍射效率η的材料优值M2，即
式中，λ0是自由空间光波长；Pa是声功率；L是声光相互作用长度；H是声束高度。M2已被用作比较声光材料的基本准则和选择声光材料的判据。然而，M2仅反映出材料的固有衍射效率，而没有顾及器件的其他性能参数。因此，只在着重考虑器件的衍射效率时，才按M2选择材料。人们为了判断适用于不同类型声光器件用材料，引入了其他表达形式不同的声光优值公式，主要有声光优值M1、M3、M4、M5、M6等。
声光器件要求材料具有下列光学性能和力学性能：光透过率高；光损伤阈值高、易于机械加工；化学稳定性高，机械寿命长；各个物理常数的温度系数小；建立起能获得高质量大晶体的晶体生长技术等。为便于讨论声光调制器、声光偏转器和声光可调滤波器等基础声光器件对材料的要求表1列出了用以描述这3种声光器件的主要性能参量。表1 基础声光器件的主要性能参量
式中，H是换能器高度，L是换能器长度，λ是光波长，M2是相对于熔融石英的优值。
由式(3)可见，当固定衍射效率时，射频驱动功率与光波长的平方成正比。因此，在红外区，为达到预定的衍射效率，所需要的射频驱动功率将比在可见光区或紫外光区所需要的大得多，而且随着工作光波往远红外方向移动而急剧地增加。另一方面，由式(3)可知，减小射频驱动功率的途径有二：一是减小换能器的形状因子H／L；二是采用高优值M2的声光介质。实际上，减小换能器的形状因子的做法是有限的，因为H／L的极限是0．25。因此，减小红外声光器件的射频驱动功率的有效办法是用高优值声光介质，此外，因红外声光器件的声功率密度大，通常为避免因过热而造成器件损伤，采用热传导率较大的声光介质。随着声表面波技术的诞生与发展，人们在选择声光器件用换能器材料时，应考虑到材料要有高耦合因子和低介电常数。前者是为了使声能有效地耦合入声光互作用介质中，而后者则为了声电阻抗易于匹配，以使电能更有效地转换为声能。在选择换能器材料时还应考虑到：声衰减低、非线性声系数小、声速的温度系数小以及能获得足够的带宽等诸因素。自20世纪70年代以来，由于许多介质材料的声光性能不断提高和新声光介质材料的出现，促使声光器件的性能取得了很大的提高。新材料的研究开发，第一步是鉴定供研究用的材料组份，对前人已研究过的组份，通过查文献的方法而获得所需的信息；而前人未研究过的新组分，则可通过相合成的方法，判断这些新组分是否能提供所需的光学性能和声光性能。其基本判据是，要求未来的新晶体具有高声光衍射效率、适用的透光区和低声损耗。为获得具有高优值的声光材料，一般要求它具有高折射率、大弹光系统和低声速。可用Envank等提出的方法计算材料的折射率；而为了获得低声速材料，通常都选用熔点低、原子量大的组分，因为声速
(式中，Tm是熔点，M为原子量，C为常数)。另一方面，声衰减与声速的五次方成反比，声速的减小使材料的声损耗显著地增大。所以，在鉴别材料的组分时，还得根据所研究的材料的应用目的，在优值与声衰减之间进行折衷选择。Gottlieb曾指出，对任何已确定的新材料，都要考虑：(1)是否能长成晶体；(2)是否具有有用的性能。第二步是相图测定，目的在于找出能形成单晶的材料组分配比。对于低熔点材料，可在简单的密封管中进行。详细研究其熔融特性，作出相图曲线，从中找出对优化晶体生长有用的数据。在此基础上，即可进入第三步作晶体生长的试验。然后是第四步，测出晶体的对称性，找出大晶体固有取向的最小对称数据。通常都是用X射线分析法分析晶体对称性。与此同时，必须分析晶体生长等性、晶体缺陷的特征及其产生的根源。然后，反过来改进晶体生长条件，以获得合格的大晶体。第五步则是测量晶体的声光性能，若仍不符合要求，建议从第一步开始，逐步分析研究、修正、改进，直到获得符合要求的晶体。(四川压电与声光技术研究所高希才撰)