铁电晶体声表面波相速度的激光超声检测方法技术

铁电晶体声表面波相速度的激光超声检测方法，涉及功能材料的声学检测方法领域，为了解决铁电晶体声表面波传播相速度的各向异性检测困难的问题。采用激光在铁电晶体表面激发出声表面波；对铁电晶体表面传播的声表面波进行检测：激光在铁电晶体表面形成的激光点和检测时铁电晶体表面的检测点沿待测的方向分布；移动激光位置、在同一检测点处检测至少2个激光点对应的声表面波，或激光位置不变、在至少2个检测点处检测声表面波；将检测得到的至少2个声表面波信号转换成横坐标为激光点位置或检测点位置，纵坐标为采集点数的等高线图；根据等高线图计算声表面波的相速度。本发明专利技术适用于检测铁电晶体的声表面波相速度。

【技术实现步骤摘要】
铁电晶体声表面波相速度的激光超声检测方法
本专利技术涉及功能材料的声学检测方法领域，具体涉及铁电晶体声表面波的检测方法。
技术介绍
压电材料是一种可以将机械能和电能进行相互转化的功能性材料，在声表面波带通滤波器、延迟线和表面波卷积器等领域应用广泛。目前使用的压电材料大多是极化后的铁电体，一般具有压电性能优异和稳定性良好等特点。特别是铁电晶体材料，具有低介电损耗和机械损耗的优点，是制作声表面波声学器件的重要材料。表面波是传播在固体表面的波动形式，是纵波和横波耦合产生的，由于表面边界条件的影响，表面波的传播特性与体声波有很大区别。对各向异性的铁电晶体而言，声表面波在传播过程中的应变会引起压电效应，表面波需要满足波动-压电耦合方程，其表面波传播特性是由材料自身的弹性性能，压电性能和介电性能共同决定的，表面波传播的相速度与波的传播方向密切有关。目前常用的声表面波的激发方法是使用两个叉指换能器，一个为输入换能器，一个为输出换能器。缺点是只能在某一特定晶体方向上激发和接收声表面波信号，如果想检测不同方向上的声表面波相速度，需要重新制备叉指电极。所以，开发一种能同时精确测定铁电晶体不同传播方向上的声表面波传播速度的检测方法，对声表面波器件的性能优化设计和制作都具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决铁电晶体声表面波传播相速度的各向异性检测困难的问题，从而提供铁电晶体声表面波相速度的激光超声检测方法。本专利技术所述的铁电晶体声表面波相速度的激光超声检测方法，该方法包括：采用激光在铁电晶体表面激发出声表面波；对铁电晶体表面传播的声表面波进行检测：激光在铁电晶体表面形成的激光点和检测时铁电晶体表面的检测点沿待测的方向分布；移动激光位置、在同一检测点处检测至少2个激光点对应的声表面波，或激光位置不变、在至少2个检测点处检测声表面波；将检测得到的至少2个声表面波信号转换成横坐标为激光点位置或检测点位置，纵坐标为采集点数的等高线图；根据等高线图计算声表面波的相速度。优选的是，根据等高线图计算声表面波相速度的方法具体为：等高线图中声表面波的振幅随横纵坐标的变化呈现线性变化，找到线性区域，该线性区域的斜率记为a，则声表面波的相速度v为：其中，d为相邻的激光点间隔或相邻的检测点间隔，△t为检测时采样的时间间隔。优选的是，d的取值范围为0.05mm-0.1mm。优选的是，△t的取值范围为2ns-5ns。优选的是，激发声表面波之前，对铁电晶体进行晶体学定向，然后按晶体学方向进行切割，得到待测晶片，对待测晶片进行镀电极和极化处理，再对晶片表面进行抛光处理。优选的是，采用声表面波激发系统激发声表面波，声表面波激发系统包括：纳秒脉冲激光器11、光学衰减片12、第一反射镜13、第一凸透镜14、电位移平台15和计算机16；计算机16用于控制纳秒脉冲激光器11出射激光的能量和频率，还用于控制位移台15的移动位置；第一反射镜13和第一凸透镜14均位于电位移平台15上；纳秒脉冲激光器11出射的激光经光学衰减片12衰减后入射至第一反射镜13，反射镜13反射的激光入射至第一凸透镜14，第一凸透镜14将激光聚焦为点光源用于激发铁电晶体17的声表面波。优选的是，所述第一凸透镜14为球面透镜。优选的是，采用声表面波检测系统对声表面波进行检测，声表面波检测系统包括：He-Ne激光器21、扩束系统、第二凸透镜25、第三凸透镜26、直角三棱镜27、平衡光电探测器28和数字示波器29；He-Ne激光器21出射的激光经扩束系统扩束后再经第二凸透镜25聚焦至铁电晶体17表面，铁电晶体17反射回的激光经第三凸透镜26准直后入射至直角三棱镜27，直角三棱镜27将入射的激光平分为两束光，直角三棱镜27出射的两束光分别进入平衡光电探测器28的两个输入端，平衡光电探测器28的输出端连接数字示波器29的输入端，通过数字示波器29得到声表面波信号。优选的是，扩束系统采用两个凸透镜实现，两个凸透镜间的距离为两个凸透镜的焦距之和。脉冲激光是一束高能量的电磁波，当其照射到样品表面时会被反射和吸收，被吸收的部分能量会在样品的被照射区域形成梯度温场，材料内部温度的变化会引起表面区域内发生局部形变，进而形成了一个局部应力场，当激光辐照结束时，材料表面温度通过快速扩散恢复到照射之前的状态，进而产生一个声波源，在材料表面和内部激发出声波。其中，在材料表面传播的声波就是声表面波。使用脉冲激光激发超声的方法除具有非接触、无损伤、高精度等特点外，最大优点是可以在材料表面各个方向激发出声表面波，只要在不同晶体学方向上进行声表面波信号的检测，就可以精确的得到各向异性的铁电晶体不同方向上的声表面速度。本专利技术实现了对铁电晶体的各向异性的声表面波相速度的精确检测，本专利技术的方法简单，只需改变激光点和检测点分布的角度就可以实现对不同方向的声表面波相速度的检测。附图说明图1是声表面波激发系统的结构示意图；图2是声表面波检测系统的结构示意图；图3是沿[001]方向极化的Z切PMN-0.29PT弛豫铁电晶体在传播角度θ＝15°方向的声表面波信号；图4是沿[001]方向极化的Z切PMN-0.29PT弛豫铁电晶体在传播角度θ＝15°方向的声表面波信号的等高线图；图5是沿[001]方向极化的Z切PMN-0.29PT弛豫铁电晶体声表面波相速度与传播角度的理论计算关系曲线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，但不作为本专利技术的限定。铁电晶体声表面波相速度的激光超声检测方法，该方法包括：铁电晶体处理：使用X射线衍射仪对PMN-0.29PT铁电晶体进行晶体学定向，然后按晶体学方向进行切割，得到待测晶片，要求晶片尺寸大于10mm×10mm×2mm，其中2mm厚度方向为铁电晶体的极化方向。对晶片进行镀电极和极化处理后，依次分别使用9μm、3μm的研磨粉和0.5μm的金刚石抛光液对晶片表面进行抛光处理，使晶片表面完全满足光学实验的需求。激发声表面波：采用声表面波激发系统激发声表面波，声表面波激发系统包括：纳秒脉冲激光器(脉冲宽度为6-8ns)11、光学衰减片12、第一反射镜13、凸透镜14、位移台15和计算机16；其中纳秒脉冲激光器11为Nd:YAG纳秒脉冲激光器，激光器通过RS232串口与计算机16连接，并通过Labview编程实现对纳秒脉冲激光器11出光能量和频率的控制。激光器发出的脉冲光信号首先通过光学衰减片12进行能量衰减，然后通过第一反射镜13改变方向，最后通过一个凸透镜14将脉冲光聚集到铁电晶体17表面。第一反射镜13与凸透镜14是位置调好后，一同固定到精密电位移平台15上，电位移平台15通过RS232串口与计算机16连接，以便精确的控制脉冲激光照射铁电晶体17的位置。将铁电晶体17固定在精密电动的位移旋转台18上待测，具体光路如图1所示。由于铁电晶体17是各向异性材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.铁电晶体声表面波相速度的激光超声检测方法，其特征在于，该方法包括：采用激光在铁电晶体表面激发出声表面波；对铁电晶体表面传播的声表面波进行检测：激光在铁电晶体表面形成的激光点和检测时铁电晶体表面的检测点沿待测的方向分布；移动激光位置、在同一检测点处检测至少2个激光点对应的声表面波，或激光位置不变、在至少2个检测点处检测声表面波；将检测得到的至少2个声表面波信号转换成横坐标为激光点位置或检测点位置，纵坐标为采集点数的等高线图；根据等高线图计算声表面波的相速度。

【技术特征摘要】
1.铁电晶体声表面波相速度的激光超声检测方法，其特征在于，该方法包括：采用激光在铁电晶体表面激发出声表面波；对铁电晶体表面传播的声表面波进行检测：激光在铁电晶体表面形成的激光点和检测时铁电晶体表面的检测点沿待测的方向分布；移动激光位置、在同一检测点处检测至少2个激光点对应的声表面波，或激光位置不变、在至少2个检测点处检测声表面波；将检测得到的至少2个声表面波信号转换成横坐标为激光点位置或检测点位置，纵坐标为采集点数的等高线图；根据等高线图计算声表面波的相速度。2.根据权利要求1所述的铁电晶体声表面波相速度的激光超声检测方法，其特征在于，根据等高线图计算声表面波相速度的方法具体为：等高线图中声表面波的振幅随横纵坐标的变化呈现线性变化，找到线性区域，该线性区域的斜率记为a，则声表面波的相速度v为：其中，d为相邻的激光点间隔或相邻的检测点间隔，△t为检测时采样的时间间隔。3.根据权利要求2所述的铁电晶体声表面波相速度的激光超声检测方法，其特征在于，d的取值范围为0.05mm-0.1mm。4.根据权利要求2所述的铁电晶体声表面波相速度的激光超声检测方法，其特征在于，△t的取值范围为2ns-5ns。5.根据权利要求1所述的铁电晶体声表面波相速度的激光超声检测方法，其特征在于，激发声表面波之前，对铁电晶体进行晶体学定向，然后按晶体学方向进行切割，得到待测晶片，对待测晶片进行镀电极和极化处理，再对晶片表面进行抛光处理。6.根据权利要求1所述的铁电晶体声表面波相速度的激光超声检测方法，其特征在于，采用声表面波激发系统激发声表面波，声表面波激发系统包括：纳秒脉冲激光器(11)、光学衰减片(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙恩伟，戚旭东，张振东，张锐，杨彬，曹文武，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23