环形定子的激光致表面波机理及可视化探测研究

李方浩; 章海军; 张冬仙

doi:10.7498/aps.62.224209

摘要

开展了用于新型激光驱动马达的环形定子的激光致表面波机理及实验研究. 提出一种带有凹槽阵列结构的环形定子新设计, 建立了激光在环形定子表面激发表面波的物理模型, 揭示了影响表面波幅值的关键因素; 采用一种新颖的激光致表面波可视化探测方法, 在波长1053 nm, 脉宽30 ns, 单脉冲能量1 mJ的激光激发下, 对表面波在铜质环形定子表面的传播特性进行了可视化探测实验. 理论与实验研究表明: 当激发光斑的位置紧邻凹槽阵列时, 沿着圆环向凹槽方向传播的表面波会被齿状凹槽阵列迅速衰减和吸收, 而沿着圆环向远离凹槽方向传播的表面波能够持续传递, 从而首次实现了激光致表面波在环形定子上的单向传播; 而对没有凹槽阵列结构的圆环进行的对比实验表明, 激光致表面波在圆环表面双向传播, 最终因相互混叠和串扰等而处于混乱状态. 由激光在该种环形定子表面激发出的单向表面波, 可望在光致表面波马达及驱动机构中获得应用.

关键词:

Abstract

The mechanism of laser-induced surface acoustic wave (SAW) on annular stator is theoretically and experimentally studied. An annular stator with groove arrays is specifically designed. The physical model of laser-induced SAW on the stator is established, and the key factors influencing the wave amplitude are disclosed. We introduce a new kind of visualization method to detect laser-induced SAW on the copper-made annular stator, under a pulsed laser of 1053 nm wavelength, 30 ns pulse width and 1 mJ pulse energy. The results show that when the location of the irradiating laser spot is near the groove arrays, the SAW propagating towards the groove will be attenuated and absorbed immediately by the groove arrays, while the SAW away from the groove can keep propagating along the stator surface. In this way, the one-way propagation of laser-induced SAW is successfully acquired. In the contrast experiments, the laser-induced SAW travels in both directions on a copper ring without groove arrays, resulting in a chaotic state of the surface acoustic wave. The one-way SAW induced by pulsed laser on the annular stator will be used in the laser-driven SAW motor in the future.

Keywords:

作者及机构信息

1.
浙江大学, 现代光学仪器国家重点实验室, 杭州 310027

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 51077117)资助的课题.

Authors and contacts

1.
State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51077117).

参考文献

[1]	Srinivasan P, Gollasch C, Kraft M 2010 Sens. Actuators A: Phys. 161 191
[2]	Yang B, Liu J Q, Chen D, Zhou W M, Cai B C 2006 Chin. Phys. B 15 454
[3]	Hoxhold B, Buttgenbach S 2010 Microsyst. Technol. 16 1609
[4]	Wang L Y, Zhang D X, Zhang H J 2010 Appl. Phys. Lett. 97 131905
[5]	Zhang D X, Zhang H J, Liu C 2008 Opt. Express 16 13476
[6]	Liu C, Zhang D X, Zhang H J 2009 Acta Phys. Sin. 58 2619 (in Chinese) [刘超, 张冬仙, 章海军 2009 58 2619]
[7]	Zaidi S, Lamarque F, Prelle C, Carton O, Zeinert A 2012 Smart Mater. Struct. 21 115027
[8]	Kautek W, Rudolph P, Daminelli G, Kruger J 2005 Appl. Phys. A 81 65
[9]	Giannetti C, Revaz B, Banfi F, Montagnese M, Ferrini G, Cilento F, Maccalli S, Vavassori P, Oliviero G, Bontempi E, Depero L E, Metlushko V, Parmigiani F 2007 Phys. Rev. B 76 125413
[10]	Ku G, Wang L V 2005 Opt. Lett. 30 507
[11]	Callasso I G, Craig W, Diebold G J 2001 Phys. Rev. Lett. 86 3550
[12]	Zhao X Y, Gang T, Zhang B X 2008 Acta Phys. Sin. 57 5049 (in Chinese) [赵新玉, 刚铁, 张碧星 2008 57 5049]
[13]	Xiao Q, Wang J, Guo X S, Zhang D 2013 Acta Phys. Sin. 62 094301 (in Chinese) [肖齐, 王珺, 郭霞生, 章东 2013 62 094301]
[14]	Pei C X, Fukuchi T, Zhu H T, Koyama K, Demachi K, Vesaka M 2012 IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 59 2702

施引文献

[1]	Srinivasan P, Gollasch C, Kraft M 2010 Sens. Actuators A: Phys. 161 191
[2]	Yang B, Liu J Q, Chen D, Zhou W M, Cai B C 2006 Chin. Phys. B 15 454
[3]	Hoxhold B, Buttgenbach S 2010 Microsyst. Technol. 16 1609
[4]	Wang L Y, Zhang D X, Zhang H J 2010 Appl. Phys. Lett. 97 131905
[5]	Zhang D X, Zhang H J, Liu C 2008 Opt. Express 16 13476
[6]	Liu C, Zhang D X, Zhang H J 2009 Acta Phys. Sin. 58 2619 (in Chinese) [刘超, 张冬仙, 章海军 2009 58 2619]
[7]	Zaidi S, Lamarque F, Prelle C, Carton O, Zeinert A 2012 Smart Mater. Struct. 21 115027
[8]	Kautek W, Rudolph P, Daminelli G, Kruger J 2005 Appl. Phys. A 81 65
[9]	Giannetti C, Revaz B, Banfi F, Montagnese M, Ferrini G, Cilento F, Maccalli S, Vavassori P, Oliviero G, Bontempi E, Depero L E, Metlushko V, Parmigiani F 2007 Phys. Rev. B 76 125413
[10]	Ku G, Wang L V 2005 Opt. Lett. 30 507
[11]	Callasso I G, Craig W, Diebold G J 2001 Phys. Rev. Lett. 86 3550
[12]	Zhao X Y, Gang T, Zhang B X 2008 Acta Phys. Sin. 57 5049 (in Chinese) [赵新玉, 刚铁, 张碧星 2008 57 5049]
[13]	Xiao Q, Wang J, Guo X S, Zhang D 2013 Acta Phys. Sin. 62 094301 (in Chinese) [肖齐, 王珺, 郭霞生, 章东 2013 62 094301]
[14]	Pei C X, Fukuchi T, Zhu H T, Koyama K, Demachi K, Vesaka M 2012 IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 59 2702

[1]	韦进志, 王金浩, 陈俊学. 相干控制的布洛赫表面波偏振转换. , 2023, 72(21): 214201. doi: 10.7498/aps.72.20231050
[2]	王国建, 刘燕文, 李芬, 田宏, 朱虹, 李云, 赵恒邦, 王小霞, 张志强. 离子束表面处理对光电阴极发射的影响. , 2021, 70(21): 218503. doi: 10.7498/aps.70.20210587
[3]	管仲, 李伟, 王国利, 周效信. 激光驱动晶体发射高次谐波的特性研究. , 2016, 65(6): 063201. doi: 10.7498/aps.65.063201
[4]	管义钧, 孙宏祥, 袁寿其, 葛勇, 夏建平. 近表面层黏性模量梯度变化的复合平板中激光热弹激发声表面波的传播特性. , 2016, 65(22): 224201. doi: 10.7498/aps.65.224201
[5]	何民卿, 董全力, 盛政明, 张杰. 激光驱动的冲击波自生磁场以及外加磁场的冲击波放大研究. , 2015, 64(10): 105202. doi: 10.7498/aps.64.105202
[6]	曾伟, 王海涛, 田贵云, 胡国星, 汪文. 研究激光激发的声表面波与材料近表面缺陷的振荡效应. , 2015, 64(13): 134302. doi: 10.7498/aps.64.134302
[7]	袁玲, 孙凯华, 崔一平, 沈中华, 倪晓武. 由于表面粗糙引起的激光声表面波色散的实验和理论研究. , 2012, 61(1): 014210. doi: 10.7498/aps.61.014210
[8]	单连强, 高宇林, 辛建婷, 王峰, 彭晓世, 徐涛, 周维民, 赵宗清, 曹磊峰, 吴玉迟, 朱斌, 刘红杰, 刘东晓, 税敏, 何颖玲, 詹夏宇, 谷渝秋. 激光驱动气库靶对铝的准等熵压缩实验研究. , 2012, 61(13): 135204. doi: 10.7498/aps.61.135204
[9]	赵兴海, 赵翔, 高杨, 席仕伟, 苏伟. 光纤传输激光驱动飞片实验研究. , 2011, 60(11): 118204. doi: 10.7498/aps.60.118204
[10]	令维军, 董全力, 张蕾, 张少刚, 董忠, 魏凯斌, 王首钧, 何民卿, 盛政明, 张杰. 高密度平面靶等离子体中激光驱动冲击波加速离子的能谱展宽. , 2011, 60(7): 075201. doi: 10.7498/aps.60.075201
[11]	王琛, 张国平, 郑无敌, 乔秀梅, 方智恒, 孙今人, 王伟, 熊俊, 傅思祖, 顾援, 王世绩. 倍频纳秒激光驱动类氖锗X射线激光的研究. , 2009, 58(9): 6264-6268. doi: 10.7498/aps.58.6264
[12]	孙宏祥, 许伯强, 王纪俊, 徐桂东, 徐晨光, 王峰. 激光激发黏弹表面波有限元数值模拟. , 2009, 58(9): 6344-6350. doi: 10.7498/aps.58.6344
[13]	王琛, 方智恒, 王伟, 熊俊, 孙今人, 吴江, 傅思祖, 顾援, 王世绩, 张国平, 郑无敌, 黄关龙, 管福义, 谢兴龙, 林尊琪. 利用皮秒脉冲激光驱动瞬态X射线激光. , 2006, 55(8): 4156-4160. doi: 10.7498/aps.55.4156
[14]	顾永玉, 张永康, 张兴权, 史建国. 约束层对激光驱动冲击波压力影响机理的理论研究. , 2006, 55(11): 5885-5891. doi: 10.7498/aps.55.5885
[15]	傅思祖, 黄秀光, 吴江, 王瑞荣, 马民勋, 何钜华, 叶君健, 顾援. 斜入射激光驱动的冲击波在样品中传播特性的实验研究. , 2003, 52(8): 1877-1881. doi: 10.7498/aps.52.1877
[16]	傅思祖, 顾援, 吴江, 王世绩, 何巨华. 超高压状态方程中激光驱动冲击波稳定性. , 1995, 44(7): 1108-1112. doi: 10.7498/aps.44.1108
[17]	王奇, 鲍家善, 蔡英时, A. D. BOARDMAN. 非线性静磁表面波的传播特性. , 1993, 42(12): 2005-2013. doi: 10.7498/aps.42.2005
[18]	马锦秀, 徐至展. 双束“自陷”激光驱动的电子等离子体波的拍频激发. , 1988, 37(5): 735-742. doi: 10.7498/aps.37.735
[19]	顾援, 倪元龙, 王勇刚, 毛楚生, 吴逢春, 吴江, 朱俭, 万炳根. 激光驱动高压冲击波的实验观察. , 1988, 37(10): 1690-1693. doi: 10.7498/aps.37.1690
[20]	王佐卿, 周素华, 汪承浩. 声表面波在声栅上的Bragg衍射. , 1983, 32(2): 156-167. doi: 10.7498/aps.32.156

计量

文章访问数: 6232
PDF下载量: 425
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板