表面聲波的生成與量測系統 .1 試片的製作與表面聲波的生成

= ⁿ

i

i i

x R f R f

f n Ai

1

*( ) )

1 ( )

( (5.30)

當同調函數 的值越趨近於 1 時，表示該實驗於此頻率區間的重複 性與可靠度越高。

)

2(f r

式(5.28)中的相位角受到主幅角的限制在±π 間變動，有不連續的現 象必須進一步將之連續化處理，求得連續變化的相位差。最後，由量測 訊號的波程差x₁ − x₂以及相位差φ，可得表面聲波的相速度，

π ¹φ ² 2 x x

f

v −

= (5.31)

5.3 表面聲波的生成與量測系統

產生表面聲波方法有很多種，如高能量脈衝雷射透過光罩(mask)在 試 片 上 以 條 紋 方 式 激 發 、 雙 光 束 干 涉(fringe) 或 是 交 指 叉 換 能 器 (inter-digital transducer, IDT)等方法，都可以在試片上產生表面聲波。本 研究利用IDT 產生短波長且窄頻之表面聲波。

試片製作以 1 mm厚的Y+128°cut鈮酸鋰(LiNbO₃)為基材，濺鍍 (sputtering)一層厚度為 1 µm鋁，作為反算材料常數之表面聲波試片。以 線寬100 µm 、10.5 對、電極距 100 µm、電極週期 400 µm的IDT，在鈮 酸鋰表面產生表面聲波，再透射進入鋁鍍層區，由於鋁鍍層區的厚度很 薄，寬度較波長寬甚多，故可忽略界面的反射對於表面聲波所造成的影 響。

5.3.2 量測系統之建立

本文採用的表面聲波量測系統如圖 5.5 和 5.6 所示，為減少量測時 所需的光路調整工作，光路設計利用偏極分光稜鏡(polarizing beam

splitter；PBS)作為光導的元件。以線偏極率 500:1 的 He: Ne 雷射之 S 極 偏光，入射下方的PBS，經反射至 PBS 下方並通過一個四分之一波片與 透鏡，此四分之一波片之光軸與 S 偏極光的偏振方向夾角 。使自待 測物反射回的雷射光轉成P 偏極光，透射過 PBS，再以 S 偏極光入射至 上方的 PBS。此時雷射光會反射至 CFPI 共振腔，通過另一個光軸與 S 偏極光偏振方向夾角 的四分之一波片，進入共振腔參與共振，符合共 振腔共振條件的反射光強度(reflective intensity)會以 P 偏極光模式參與干 涉，然後透射過 PBS 進入光接收器(photo-receiver)，將光強度訊號轉成 電壓值。最後，透過GaGe A/D 卡與圖控軟體 LabView 擷取訊號，構成 一組反射式CFPI 量測系統。

45o

45o

CFPI 共振腔腔體是由兩個焦距同為 1 m 的凹面反射鏡(concave mirror)所構成，根據前節所述，共振腔的共振條件相當嚴苛，必須在共 振腔的長度 達到雷射光波長四分之一的整數倍時，才會產生共振，而 且需要將共振腔保持在操作點

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5 .

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fr 時，才可使都卜勒頻移訊號放大到 最大效果。本研究採用一個PZT 壓電圖管，置於腔體透射端，微調控制 共振腔的長度，反射端設置一個旋扭，粗調腔體長度，並透過 Stanford Research Systems 公司的類比式 PID 控制器(SIM960) 與 Burleigh 公司的 PZT 放大器 RG-91，以 PID 回饋控制法則控制腔體的長度，維持共振腔 的長度在操作點時，進行量測。

如附錄D所述，本研究建立的CFPI干涉儀可量測粒子的最小振動速 度為0.01206 m/s，本研究以上述之表面聲波元件作為干涉儀量測表面聲 波的驗證。實驗以振幅為 4Vpp、頻率為9.725 MHz的 20 個週期之弦波、

叢發週期(burst period) 1 秒的波群(burst) 驅動交指叉換能器，接收器距 離致動器為50 mm，以CFPI干涉儀與交指叉換能器作為表面聲波量測的 接收器，量測點距離致動器分別為29.8 mm與 30 mm，實驗裝置如圖 5.7

所示。鈮酸鋰的表面聲波波速之理論值為3992 m/s，表面聲波在觸發後 約7.13 µsec抵達第一量測點，7.26 µsec抵達第二量測點，約 12.5 µsec才 抵達交指叉換能器之位置。由圖 5.8、5.10 與圖 5.11，確實觀察到表面聲 波的抵達時間約為7.13 µsec、7.26 µsec與 12.5 µsec，由時域訊號可明顯 的發現此三組訊號具波程時間差，此現象符合波傳特性。將訊號做快速 傅利葉轉換後，發現訊號的頻率約為 9.7 MHz與 9.65 MHz (如圖 5.9、11 與13)。將干涉儀於第一與第二接收點擷取的訊號以相位頻譜法分析，可 得知工作頻率下的表面聲波相速度為3936.482m/s，與理論值接近。