多通道相位差控制的弹性波自旋源激发装置和制备方法

技术领域

本发明涉及功能器件及弹性波波源产生装置领域，尤其是涉及一种多通道相位差控制的弹性波自旋源激发装置和制备方法。

背景技术

自旋是量子力学中最重要的物理性质之一，是拓扑态的基础。大量研究表明横波可以自然地具有非平凡的自旋以及与自旋相关的性质，最近的研究又揭示了纵波以及纵波-横波混合的弹性波的自旋特征。在直观中，弹性波自旋可以表现为与方向选择性相关的传播。但由于弹性波的复杂性，且缺乏弹性波自旋源激发装置，弹性波的自旋目前还缺少对应的实验依据。利用弹性波自旋源能够为实验提供具体途径，从而验证弹性波自身的自旋本质。

另一方面，拓扑与物理学快速结合，在量子场论、凝聚态物理等领域产生了重要影响，后又快速拓展到基于周期性结构(如声子晶体、超材料等)的力学系统，引发了“拓扑力学”。因为具有单元尺寸、几何参数、材料属性等灵活可控的特性，周期性结构及其中的经典波体系成为检验或实现诸多拓扑物理现象的良好平台。已有研究者在声学或力学系统中开展类比霍尔效应、自旋霍尔效应、谷霍尔效应等的研究。基于能耗和易用等方面的考虑，被动调控(类比自旋霍尔效应、谷霍尔效应)的结构和器件在应用中更为有利。这些拓扑结构的一个显著特征是弹性波的单向传输，但其拓扑边界态的传播方向是自旋依赖的，带有特定极化方向的弹性波自旋源能够选择激发单向边界态。然而其实验依据却非常少见，特别是应用广泛的板波(Lamb波)和瑞利(Rayleigh)波。

因此，亟需提供一种弹性波自旋源激发装置，以为拓扑结构的实验研究提供关键依据。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多通道相位差控制的弹性波自旋源激发装置和制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种多通道相位差控制的弹性波自旋源激发装置，包括多通道信号发生器、压电振动组件阵列、连接固定件和安装座，所述的压电振动组件阵列中包括多个按设定阵列排列的压电振动组件，所述的多通道信号发生器包括多个信号输出通道，所述的多个信号输出通道分别接入压电振动组件阵列中的各压电振动组件上，所述的压电振动组件与信号输出通道一一对应，所述的压电振动组件通过连接固定件与安装座相互连接，所述的安装座用于安装弹性波自旋源；

所述的多通道信号发生器的多个信号输出通道分别输出多个不同相位的电信号，所述的压电振动组件阵列中的各压电振动组件分别接收各通道的电信号，将电信号转化为机械振动，并传导至安装座上的弹性波自旋源，完成弹性波自旋源的激发。

进一步地，所述的连接固定件为环氧树脂材料，所述的安装座为金属板或金属块。

进一步地，所述的压电振动组件阵列的排列方式根据弹性波自旋源的所需频率段获取。

优选地，所述的压电振动组件包括压电片和金属柱，所述的压电片为环形压电片，其套设于金属柱上，所述的安装座内开设通孔，所述的金属柱套设于安装座的通孔中，所述的金属柱与安装座之间填充连接固定件，所述的压电片的上下表面为正极极化面接线和负极极化面接线，所述的多通道信号发生器的接线正极和接线负极分别接入压电片的正极极化面接线和负极极化面接线。

所述的压电片设置两片，分别套设于金属柱的上下两端，所述的安装座设置于金属柱的中部，所述的金属柱上下两端的压电片相互对称设置，两个压电片相对的极化面接线的极性相同。

所述的压电片和金属柱之间填充连接固定件。

上述多通道相位差控制的弹性波自旋源激发装置的制备方法，包括以下步骤：

S11：根据弹性波自旋源的所需频率段，获取压电片的尺寸、位置和排列方式；

S12：按照与压电片的尺寸、位置和排列方式对应的原则，获取金属柱的尺寸、位置和排列方式；

S13：按照与金属柱的尺寸、位置和排列方式对应的原则，获取安装座上四个通孔的尺寸位置和排列方式；

S14：根据步骤S11-S12确定的尺寸、位置和排列方式，分别制备压电片、金属柱和安装座；

S15：将金属柱通过连接固定件安装于安装座的通孔中；

S16：在每根金属柱两端，距离安装座相同距离的位置，各安装一个压电片，并用连接固定件固定，构成一组压电振动组件；

S17：根据两个压电片相对的极化面接线的极性相同的原则，分别从各压电片的上下两极化面接线引出导线，并将各组压电振动组件依次接入多通道信号发生器的信号输出通道；

S18：调节多通道信号发生器各通道的相位差，产生自旋源。

优选地，所述的压电振动组件包括压电片，所述的压电片通过连接固定件固定设置于安装座的表面。

所述的压电片为圆形压电片，所述的连接固定件的形状尺寸与压电片相互配合，其填充于压电片和安装座之间。

上述多通道相位差控制的弹性波自旋源激发装置的制备方法，包括以下步骤：

S21：根据弹性波自旋源的所需频率段，获取压电片的尺寸、位置和排列方式；

S22：根据步骤S11-S12确定的尺寸、位置和排列方式，将压电片通过连接固定件安装于安装座上；

S23：分别从各压电片的上下两极化面接线引出导线，并将各组压电振动组件依次接入多通道信号发生器的信号输出通道；

S24：调节多通道信号发生器各通道的相位差，产生自旋源。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明通过压电振动组件与多通道信号发生器连接，多通道信号发生器输入具有相位差的信号至各压电振动组件，各压电振动组件将电信号转化为机械振动并传导至安装座，安装座上安装需要弹性波自旋源的结构，从而激发带自旋特征的弹性波，能够用于弹性波自旋的相关实验和实际应用，弥补了目前市面上没有弹性波自旋源激发装置和实验研究中没有弹性波自旋源使用的空白，为相关实验研究提供数据依据；

2)本发明设计两种结构的激发装置，可根据不同使用场景和要求进行封装，成为可拆卸、便携的装置，且本发明所采用的材料均可通过定制购买得到，结构简单、制备方便。

附图说明

图1为实施例1的部件拆分示意图；

图2为实施例1的单组压电片中心剖面及接线示意图；

图3为压电片外部信号接入示意图；

图4为四通道相位延迟信号示意图；

图5为实施例1整体结构示意图；

图6为实施例1数值模拟效果图；

图7为实施例1装置用于瑞利波实验的结果图；

图8为实施例2部件拆分示意图；

图9为实施例2单组压电片中心剖面及接线示意图；

图10为实施例2整体结构示意图；

图11为实施例2数值模拟效果图。

其中，1、压电片，2、金属短柱，3、连接固定件，4、安装座，5、接线正极，6、接线负极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明提供一种多通道相位差控制的弹性波自旋源激发装置，包括多通道信号发生器、压电振动组件阵列、连接固定件3和安装座4，压电振动组件阵列中包括多个按设定阵列排列的压电振动组件，多通道信号发生器包括多个信号输出通道，多个信号输出通道分别接入压电振动组件阵列中的各压电振动组件上，压电振动组件与信号输出通道一一对应，压电振动组件通过连接固定件3与安装座4相互连接，安装座4用于安装弹性波自旋源，压电振动组件阵列的排列方式根据弹性波自旋源的所需频率段获取。

多通道信号发生器的多个信号输出通道分别输出多个不同相位的电信号，压电振动组件阵列中的各压电振动组件分别接收各通道的电信号，将电信号转化为机械振动，并传导至安装座4上的弹性波自旋源，完成弹性波自旋源的激发。多个信号输出通道接入方式根据实际需求，通过多通道调节得到的一系列电压信号，通道数及延迟相位可调可控。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例中，压电振动组件包括压电片1和金属柱2，压电振动组件阵列包括压电片阵列和金属柱阵列，压电片阵列为按实际使用要求设计的具有设定参数的阵列，设定参数包括单枚压电片1的尺寸和形状、压电片1安装组数、压电片阵列之间的距离和位置等，金属柱阵列为根据压电片阵列参数设计的具有设定参数的阵列。

压电片1为环形压电片或其他类似形状的压电材料，且设置两片，分别套设于金属柱2的上下两端，安装座4内开设通孔，金属柱2套设于安装座4的通孔中，安装座4设置于金属柱2的中央，两者的中面相互重合，金属柱2与安装座4以及压电片1与金属柱2之间均填充连接固定件3，压电片1的上下表面为正极极化面接线和负极极化面接线，多通道信号发生器的接线正极5和接线负极6分别接入压电片1的正极极化面接线和负极极化面接线，金属柱2上下两端的压电片1相互对称设置，两个压电片1相对的极化面接线的极性相同，本实施例中，两个压电片1相对的极化面接线为负极，相背的极化面接线为正极。

环形压电片1用于将电信号转化为机械振动，金属柱2用于将机械振动传递至安装座4上安装的弹性波自旋源结构，以产生主要位移方向与结构中面平行的弹性波自旋源。连接固定件3为环氧树脂材料等具有高强度、易于安装操作的非导电材料，用于连接和固定环形压电片1与金属柱2，或连接固定金属柱2与安装座4，安装座4为金属板或金属块或其他封装材料。

如图3所示，为环形压电片1接入电压信号源的方式，本实施例中，采用四通道信号发生器，压电振动组件设置四组，压电片1按图3所示阵列排列，取如图2所示的上部的压电片1，并使用四组压电片1组成阵列。接线正极5和接线负极6分别接入压电片1的正极极化面接线和负极极化面接线。V

如图4所示，为图3电压信号源中心频率为20千赫兹时四通道宽频脉冲电压信号的示意图，从通道1至通道4，20千赫兹信号的相位依次延迟π/2。

如图5所示为本实施例中四组压电片结构阵列的整体结构示意图，其制备方法包括以下步骤：

(1)根据给定的频率段，设计压电片1的尺寸，设计四组压电片阵列的位置和排列方式；

(2)根据压电片1的尺寸设计四个金属柱2尺寸、位置和排列方式与压电片阵列对应；

(3)根据金属柱2的尺寸，设计安装座4上四个通孔的尺寸、位置和排列方式金属柱2对应；

(4)根据安装座4上通孔的位置和尺寸，在安装座4上开通孔；

(5)将金属柱2用环氧树脂连接固定件3固定到安装座4的通孔中，其安装细节如图2所示；

(6)在每根金属柱2两端，距离安装座4相同距离的位置，各安装一个压电片1，并用环氧树脂连接固定件3固定，构成一组压电振动组件，其安装细节如图2所示，共设置四组电振动组件；

(7)从各压电片1分别引出导线，每根金属柱2两端的压电片1为一组，接线均定义远离安装座4一侧为正，靠近安装座4一侧为负(或相反)，各组压电片1依次接入有按不同相位差的信号源，其安装细节如图2所示。

如图6为本实施例装置的效果图，展示了一个实例的计算结果和面内位移场的效果，本实施例的具体参数为：环形压电片1的外直径为10mm，内直径为5mm，厚为1mm；金属柱2的直径为4.5mm，高为18mm；安装座4的厚为8mm；连接固定件3为环氧树脂层，其厚为0.25mm。

如图7所示，为本实施例的弹性波自旋源装置用于瑞利波的实验结果，展示了自旋弹性波激励条件下的方向选择性的传播特征，明显地，该自旋弹性波主要向左(x轴负方向)传播。

实施例2

如图8和图9所示，本实施例中，压电振动组件包括压电片1，压电振动组件阵列包括压电片阵列，压电片阵列为按实际使用要求设计的具有设定参数的阵列，设定参数包括单枚压电片1的尺寸和形状、压电片1安装组数、压电片阵列之间的距离和位置等。

压电片1通过连接固定件3固定设置于安装座4的表面，压电片1为圆形压电片或其他类似形状的压电材料，连接固定件3的形状尺寸与压电片1相互配合，其直接填充于压电片1和安装座4之间，圆形的压电片1用于将电信号转化为机械振动，并直接将机械振动传递至安装座4上安装的弹性波自旋源结构，以产生主要位移方向与结构中面平行的弹性波自旋源，其余与实施例1相同。

如图10所示，为本实施例中四组压电片结构阵列的整体结构示意图，其制备方法包括以下步骤：

(1)根据给定的频率段，设计压电片1的尺寸，设计四组压电片阵列的位置和排列方式；

(2)将压电片1设计好的阵列的位置及排列方式，封装固定或直接安装到安装座4上，并用环氧树脂连接固定件3固定；

(3)从各压电片1分别引出导线，接线均定义远离安装座4一侧为正，靠近金属板一侧为负(或相反)，各组压电片1依次接入不同相位差的信号通道。

如图11为本实施例装置的效果图，展示了一个实例的计算结果和面外位移场的自旋效果，该实例的具体参数为：圆形压电片1的直径为10mm，厚为1mm；安装座的厚为2mm；连接固定件3为环氧树脂层，其厚为0.14mm。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。