CN104635361B - 宽光谱声光可调滤光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽光谱声光可调滤光器，包括声光介质、换能器、表电极，换能器由厚度互不相同的N个依次重叠构成，相邻两个换能器之间通过金属层紧密贴合在一起，最下层换能器通过键合层与声光介质通声面连接，表电极设于最上层换能器表面。第一匹配网络通过导线与表电极连通；第二匹配网络通过导线与键合层连通；其中一层金属层同时与第一匹配网络和第二匹配网络的地连通。本发明在声光介质的同一面上制作了由多个不同厚度的换能器构成的复合换能器，多个厚度不同的换能器组合在一起就能实现宽带电声转换功能，进而实现宽光谱滤光。可以减小声光介质的尺寸，进而减小声光可调滤光器体积和重量。

Description

宽光谱声光可调滤光器
技术领域
本发明涉及一种激光系统用的声光器件，尤其适合光谱成像或光谱分析的声光可调滤光器，属于声光仪器技术领域。
背景技术
光谱成像或光谱分析用的声光可调滤光器，主要由声光介质、换能器、表电极和匹配网络等构成。射频信号经匹配网络、金丝（或硅铝丝）传输到表电极上，换能器把射频信号转化为超声波传输到声光互作用介质内，在介质内形成折射率光栅，入射光与折射率光栅发生声光互作用，产生衍射光。衍射光的光谱特性与射频信号的频率成一一对应关系。输入不同频率的射频信号，换能器就产生相应频率的超声波，进而滤出相应波长的衍射光。
为了提高声光可调滤光器的光谱范围，目前有两个方法可以实现：一个方法是在声光介质相对的两个面上制作两个厚度不同的换能器，另一个方法是在声光介质的一个通声面上制作两个厚度不同的换能器。这两种方法制作的两个换能器在吸收射频信号时将产生两束声波，这两束声波在路径上是分离的，即使同时传播它们，二者之间在空间分布上也是相互独立的，没有重叠部分。
为了保证两束声波在传播路径上相互分离，必须增加声光互作用介质的长度，这会增加制作成本，以及器件的体积重量，在一些对体积和重量要求较高的环境（如外太空中）就不太适用。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种实现宽光谱滤光、同时制作成本低、减小器件尺寸和重量的声光可调滤光器。
本发明的技术方案是这样实现的：
宽光谱声光可调滤光器，包括声光介质、换能器、表电极、匹配网络和高频插座，所述换能器由厚度互不相同的N个依次重叠构成以形成复合换能器，N为自然数且≥2，复合换能器内相邻两个换能器之间通过金属层紧密贴合在一起，复合换能器中最下层换能器通过键合层与声光介质通声面连接，表电极设于复合换能器中最上层换能器表面，所有换能器材料都是X切型的铌酸锂晶体；所述匹配网络由第一匹配网络和第二匹配网络构成，所述高频插座由第一高频插座和第二高频插座构成；第一高频插座通过导线与第一匹配网络连接，第一匹配网络通过导线与表电极连通；第二高频插座通过导线与第二匹配网络连接，第二匹配网络通过导线与键合层连通；复合换能器内N-1层金属层中其中一层金属层同时与第一匹配网络和第二匹配网络的地连通。
相邻换能器的厚度差异在40%--70%之间。
所述第一匹配网络和第二匹配网络均是由电容和电感按照一定的排列方式构成。
所述金属层中包含有金和锡材料。
所述金属层厚度为1-3微米。
声光介质光轴方向C与通声面的方向K的夹角θ在100°±5°范围内。
声光介质光轴方向C与通声面的方向K的夹角θ为99.6°±0.5°，声光介质的光入射面与光出射面的夹角φ为6.9±0.5°。
构成所述复合换能器的换能器为两个、三个或者四个。
相比现有技术，本发明具有如下优点：
1、在声光介质的同一面上制作了由两个或多个不同厚度的换能器重叠构成的复合换能器，不同厚度的换能器有不同的电声转换频段，多个厚度不同的换能器组合在一起就能实现宽带电声转换功能，进而实现宽光谱滤光。
2、不同厚度的换能器在吸收射频信号后产生的声波共用一个传输路径，可以减小声光介质的尺寸，进而减小声光可调滤光器体积和重量。
3、对于只有两个不同厚度的换能器重叠构成的复合换能器，每个换能器都有一个相互独立的匹配网络，有助于提高阻抗匹配的带宽和吸收深度，进而提高声光可调滤光的衍射效率。
附图说明
图1-本发明由两个换能器构成的宽光谱声光可调滤光器结构示意图。
图2-本发明由三个换能器构成的宽光谱声光可调滤光器结构示意图。
图3-本发明由四个换能器构成的宽光谱声光可调滤光器结构示意图。
图中，1-声光介质；2-光入射面；3-键合层；4-最下层换能器；5-金属层；6-最上层换能器；7-表电极；8-第一匹配网络；9-第一高频插座；10-第二高频插座；11-第二匹配网络；12-通声面；13-光出射面；K-通声面的方向；C-声光介质光轴方向；θ-声光介质光轴方向C与通声面的方向K的夹角；φ-光入射面与光出射面的夹角。
具体实施方式
本发明在声光介质同一面上制作了两个或多个厚度不同的换能器，这些厚度不同的换能器是相互重叠的结构关系。换能器材料是X切型的铌酸锂晶体，其工作频率与其厚度有关，每个厚度的换能器只能工作在一定的频率带宽范围内，多个厚度的换能器同时工作就能成倍提高器件的工作带宽，进而实现宽光谱滤光。具体结构介绍如下。
参见图1、图2和图3，从图上可以看出，本发明宽光谱声光可调滤光器，包括声光介质1、换能器、表电极7、匹配网络和高频插座，声光介质1为氧化碲晶体。所述换能器由厚度互不相同的N个依次重叠构成以形成复合换能器，N为自然数且≥2，复合换能器内相邻两个换能器之间通过金属层5紧密贴合在一起，即金属层有N-1层。复合换能器中最下层换能器4通过键合层3与声光介质通声面12连接，表电极7镀制于复合换能器中最上层换能器6表面，所有换能器材料都是X切型的铌酸锂晶体。所述匹配网络由第一匹配网络8和第二匹配网络11构成，第一匹配网络8和第二匹配网络11均是由电容和电感按照一定的排列方式构成。所述高频插座由第一高频插座9和第二高频插座10构成。第一高频插座9通过导线与第一匹配网络8连接，第一匹配网络8再通过导线与表电极7连通。第二高频插座10通过导线与第二匹配网络11连接，第二匹配网络11再通过导线与键合层3连通。N-1层金属层5中选取其中一层金属层5同时与第一匹配网络8和第二匹配网络11的地连通，即该金属层5作为第一匹配网络8和第二匹配网络11的公共地。
本发明中金属层包含有金和锡。金是优良的导电材料，有利于电信号的传输。锡是优良的焊接材料，有利于将相邻两层换能器焊接在一起。具体设计时，金属层由五层构成，依次为铬层、金层、铬层、锡层和铬层，其中铬层由金属材料铬形成，金层由金属材料金形成，锡层可以由单一的金属材料锡形成，也可以由锡与铟或者银的合金材料形成。
所述金属层厚度为1-3微米。金属层越薄，声波的传输效率越高，但焊接的牢固性越低；金属层越厚，声波的传输效率越低，但焊接的牢固性越高，当金属层厚度为1-3微米时，可以较好的兼顾声波的传输效率与焊接的牢固性。
本发明工作原理：射频信号RF1从第一高频插座9输入器件，经过第一匹配网络8传输到表电极7上。最上层换能器6吸收射频信号产生超声波，超声波经过所有金属层5、中间换能器、最下层换能器4和键合层3传输到声光介质1内，入射光与该超声波发生声光互作用产生衍射光。根据声光可调滤光器的理论，衍射光的波长与超声波的频率成一一对应关系，即特定频率的超声波滤出特定波长的衍射光。
同理，射频信号RF2从第二高频插座10输入器件，经过第二匹配网络11传输到键合层3上。最下层换能器4吸收射频信号产生超声波，超声波再经过键合层3传输到声光介质1内，入射光也会和这个超声波发生声光互作用产生衍射光，并且特定频率的超声波滤出特定波长的衍射光。
以图1两个换能器为例，如复合换能器中最上层换能器6厚度为16微米，工作带宽为120MHz∽180MHz，滤出600nm∽450nm的衍射光；复合换能器中最下层换能器4厚度为26微米，工作带宽为64MHz∽120MHz，滤出1000nm∽600nm的衍射光。这样整个器件就能滤出波长1000nm∽450nm之间的光，从而实现了宽光谱滤光，这时两换能器的厚度相差62.5%。
本发明声光介质光轴方向C与通声面12的方向K的夹角θ为100°±5°（即95-105°），夹角θ的大小与声光可调滤光器的工作波长、工作频率、衍射光的光谱分辨率等因素有关。夹角θ太小，衍射光的光谱分辨率很低，体现不出声光可调滤光器的高分辨率优势；夹角θ太大，声光可调滤光器的工作频率很高，而超声波的衰减与频率的平方成正比，导致超声波衰减很大，进而严重降低衍射光的效率。
为了使不同波长的衍射光有相同的偏转角，可以通过修正光出射面13与光入射面2的夹角φ来实现。声光介质光轴方向C与通声面12的方向K的夹角θ为99.6°±0.5°，声光介质的光入射面2与光出射面13的夹角φ为6.9±0.5°。特别地，当夹角θ为99.6°时，需要修正的夹角φ为6.9°，这时不同波长的衍射光有几乎一样的偏转角（误差小于0.01°）。
本发明的复合换能器由两个或多个不同厚度的换能器重叠构成，相邻换能器的厚度差异通常在40%-70%之间。
图1为由两个换能器构成的宽光谱声光可调滤光器，对于由三个换能器（见图2）、四个换能器（见图3）或更多换能器构成的宽光谱声光可调滤光器，由于复合换能器内相邻两个换能器之间都有金属层，因此复合换能器内有两个或多个金属层，根据使用情况取其中一个金属层与第一匹配网络8的地连通，该金属层也与第二匹配网络11的地连通即可。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.宽光谱声光可调滤光器，包括声光介质、换能器、表电极、匹配网络和高频插座，所述换能器由厚度互不相同的N个依次重叠构成以形成复合换能器，N为自然数且≥2，复合换能器中最下层换能器通过键合层与声光介质通声面连接，所述匹配网络由第一匹配网络和第二匹配网络构成，所述高频插座由第一高频插座和第二高频插座构成；其特征在于：复合换能器内相邻两个换能器之间通过金属层紧密贴合在一起，表电极设于复合换能器中最上层换能器表面，所有换能器材料都是X切型的铌酸锂晶体；第一高频插座通过导线与第一匹配网络连接，第一匹配网络通过导线与表电极连通；第二高频插座通过导线与第二匹配网络连接，第二匹配网络通过导线与键合层连通；复合换能器内N-1层金属层中其中一层金属层同时与第一匹配网络和第二匹配网络的地连通。
2.根据权利要求1所述的宽光谱声光可调滤光器，其特征在于：相邻换能器的厚度差异在40%--70%之间。
3.根据权利要求1所述的宽光谱声光可调滤光器，其特征在于：所述第一匹配网络和第二匹配网络均是由电容和电感按照一定的排列方式构成。
4.根据权利要求1所述的宽光谱声光可调滤光器，其特征在于：所述金属层中包含有金和锡材料。
5.根据权利要求1所述的宽光谱声光可调滤光器，其特征在于：所述金属层厚度为1-3微米。
6.根据权利要求1所述的宽光谱声光可调滤光器，其特征在于：声光介质光轴方向C与通声面的方向K的夹角θ在100°±5°范围内。
7.根据权利要求1所述的宽光谱声光可调滤光器，其特征在于：声光介质光轴方向C与通声面的方向K的夹角θ为99.6°±0.5°，声光介质的光入射面与光出射面的夹角φ为6.9±0.5°。
8.根据权利要求1所述的宽光谱声光可调滤光器，其特征在于：构成所述复合换能器的换能器为两个、三个或者四个。
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