CN105739136B - 可见光中波声光可调滤光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可见中波声光可调滤光器，包括声光介质、换能器、表电极和匹配网络，换能器为三个，分别安装在声光介质相对的两个通声面上；其中一个通声面上安装有两个换能器，该两个换能器的厚度使滤光器工作波长覆盖整个可见光波段；另一个通声面上安装有一个换能器，该换能器厚度使滤光器工作在中波波段；每个换能器对应着一套表电极、焊接引线和匹配网络。本发明工作波长范围同时兼顾了可见光（400nm到1000nm）和中波（3000nm到4500nm）两个波段，并充分利用了声光介质材料。采用焊接的铜箔传输射频信号，能大幅提高射频信号传输的效率。

Description

可见光中波声光可调滤光器

技术领域

本发明涉及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、银丝传输到表电极上，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。衍射光的光波长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。

随着现代技术的发展，伪装隐身技术已被广泛应用于单兵、车辆、坦克、飞机、舰船等武器装备中，使得常规的技术手段越来越难以侦察识别。基于声光可调滤光器的超光谱成像技术是近年来才发展起来的军事侦察技术，它具有响应速度快、环境适应性好、兼具成像和光谱探测等优点，通过编程还可以实现多波长同时工作的复合光谱模式，达到迅速探测单一波段难以识别复杂目标的目的，对其掌握和运用的程度直接决定战场信息主动权，具有非常重要的军事意义。

但目前声光可调滤光器工作的光谱范围都是单一波段的：紫外、可见光、近红外或中波波段，还没有同时兼顾可见光与中波波段的声光可调滤光器。基于兼顾可见光与中波波段的超光谱成像系统能有效克服武器装备上伪装物、白天黑夜的光强差异、烟雾雨雪的干扰等，迅速识别出单波段系统无法识别的伪装隐身目标。

从声光可调滤光器换能器结构上分，现在的声光可调滤光器主要有三大类：第一种是单片换能器结构，在声光可调滤光器声光介质的一个通声面上制作一个换能器；第二种是双片结构，在声光可调滤光器声光介质同一个通声面上制作两个厚度不同的换能器；第三种也是双片结构，在声光介质相对的两个通声面上各制作一个厚度不同的换能器。这三种声光可调滤光器各有一些缺点：第一种由于只有一片换能器，滤光器受换能器工作带宽的限制，其工作的光谱范围非常有限，甚至不能覆盖全部的可见光范围；第二种由于受工艺条件的限制，很难制作厚度差异较大的两片换能器（厚度差异一般都小于50%），同时由于还受声波传输方向的限制，不能充分利用声光介质的互作用区域，浪费了宝贵的声光介质材料，见图3；第三种虽然能充分利用声光介质材料，但只能制作两个厚度不同的换能器，也限制了声光可调滤光器的光谱范围。

为了把射频信号传输到表电极上，声光可调滤光器通常要在表电极与匹配电路板之间焊接引线（通常直径为0.13mm的银丝），这种方式对射频信号的衰减比较大，浪费了宝贵的射频信号。其原因是：引线的直径比较小，传输射频信号的表面积比较小，而射频信号频率比较高，属于高频信号，它趋向于传输线的表面传输，其传输损耗与传输线的表面积成反比，表面积越小，传输损耗越大。

焊接引线不能用直径比较大的银丝的原因是：如果用直径比较大的银丝，银丝在使用或运输过程中会产生较大的应力损伤换能器、表电极或焊接银丝的焊点，导致产品失效，因此声光可调滤光器通常采用直径比较小的银丝连接表电极和匹配网络。

发明内容

针对现有声光可调滤光器工作光谱范围都是单一波段及传输损耗大的不足，本发明的目的在于提供一种可见光中波声光可调滤光器，本滤光器可以同时兼顾可见光与中波波段并能提高射频信号传输效率。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

可见光中波声光可调滤光器，包括声光介质、换能器、表电极和匹配网络，换能器通过焊接层安装于声光介质的通声面上，表电极设于换能器表面，匹配网络通过焊接引线和表电极连接；所述换能器为三个，分别安装在声光介质相对的两个通声面上；其中一个通声面上安装有两个换能器，这两个换能器的厚度分别为24μm-26μm和13.5μm-14.5μm，该两个厚度的换能器使滤光器工作波长覆盖整个可见光波段；另一个通声面上安装有一个换能器，该换能器厚度为118μm-122μm以使滤光器工作在中波波段；每个换能器对应着一套表电极、焊接引线和匹配网络。

连接所有匹配网络和表电极的焊接引线均为铜箔，铜箔一端通过低温焊锡焊接在表电极上，另一端与该表电极对应的匹配网络连接在一起。

在每个换能器对应的焊接层上通过低温焊锡焊接有铜箔，铜箔另一端与该换能器对应的匹配网络的地连接在一起。

所述铜箔为压延铜，其厚度为5μm-15μm，宽度不小于2mm。

声光介质光轴方向C与通声面的方向K的夹角θ在100.5°-101.5°范围内。

在声光介质通光面上镀制了减反膜，该减反膜在可见光（400nm到1000nm）和中波（3000nm到4500nm）两个波段的反射率均小于8%。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明在声光介质相对的两个通声面上都制作了换能器，其中一个通声面上制作了两个换能器，这两个换能器工作带宽范围是220MHz到68MHz，这时滤光器的工作波长范围是400nm到1000nm；另外一个通声面上制作了一个换能器，其工作的带宽范围是22MHz到14MHz，这时滤光器的工作波长范围是3000nm到4500nm。因此，本发明的声光可调滤光器工作波长范围同时兼顾了可见光（400nm到1000nm）和中波（3000nm到4500nm）两个波段，并充分利用了声光介质材料。

需要指出的是，由于探测器响应的波长范围一般都覆盖了400nm到1000nm，因此整机都希望滤光器可见光波段能与探测器响应的波长范围相匹配，以获取更多的光谱信息，进而提高成像侦察系统的实用性。

2、本发明采用焊接的铜箔传输射频信号，铜箔宽度不小于2mm，正反两面传输射频信号的宽度就不小于4mm，这是常用银丝（直径0.13mm）周长的10倍，根据高频信号的趋肤效应，这样就能大幅提高射频信号传输的效率。同时，由于铜箔很薄，且是压延铜，其延展性和韧性都非常好，因此用低温焊锡把它焊接在表电极上，能使滤光器具有非常好的环境适应性。

附图说明

图1-本发明器件结构示意图。

图2-本发明整体结构示意图。

图3-现有技术同一通声面上双片换能器结构浪费声光介质材料示意图。

图中，1-声光介质，2-第一焊接层，3-第一换能器，4-第一表电极，5-第一低温焊锡，6-第一铜箔，7-第一匹配网络，8-第二低温焊锡，9-第二铜箔2，10-第二换能器，11-第二表电极，12-第三低温焊锡，13-第三铜箔，14-第二匹配网络，15-第四铜箔，16-第四低温焊锡，17-第二焊接层，18-第一通声面，19-第三焊接层，20-第五低温焊锡，21-第五铜箔，22-第三换能器，23-第三表电极，24-第六低温焊锡，25-第六铜箔，26-第三匹配网络，27-第二通声面，28-超声波，29-可见光探测器，30-图像处理系统，31-中波探测器， 32-通光面，33-减反膜，C-声光介质光轴方向，K-通声面的方向，θ-声光介质光轴方向C与通声面的方向K的夹角。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

为了兼顾可见光与中波波段，本发明滤光器在声光介质两个通声面上制作了三个厚度不同的换能器，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。其中一个通声面上制作了两个换能器，这两个换能器使滤光器工作波长覆盖了整个可见光波段，另外一个通声面上制作了一个换能器，这个换能器使滤光器工作在中波波段，因此，这种声光可调滤光器工作波长范围同时兼顾了可见光（400nm到1000nm）和中波（3000nm到4500nm）两个波段。具体结构介绍如下：

参见图1和图2，从图上可以看出，本发明可见光中波声光可调滤光器，主要由声光介质1、第一焊接层2、第一换能器3、第一表电极4、第一低温焊锡5、第一铜箔6、第一匹配网络7、第二低温焊锡8、第二铜箔9、第二换能器10、第二表电极11、第三低温焊锡12、 第三铜箔13、第二匹配网络14、第四铜箔15、第四低温焊锡16、第二焊接层17、第一通声面18、第三焊接层19、第五低温焊锡20、第五铜箔21、第三换能器22、第三表电极23、第六低温焊锡24、第六铜箔25、第三匹配网络26、第二通声面27、通光面32和减反膜33等组成。

声光介质1为氧化碲晶体，第一换能器3安装于声光介质的第一通声面18上，第一焊接层2把声光介质1与第一换能器3焊接在一起。第一表电极4位于第一换能器3上，第二低温焊锡8把第二铜箔9焊接在第一表电极4上，第二铜箔9的另外一端与第一匹配网络7的连接在一起。第一低温焊锡5把第一铜箔6焊接在第一焊接层2上，第一铜箔6另一端与第一匹配网络7的地连接在一起。射频信号RF1通过第一匹配网络7、第二铜箔9和第二低温焊锡8传输到第一表电极4上，第一换能器3吸收射频信号，并将射频信号转换为超声波28传输到声光介质1内，入射光与超声波在声光介质1内发生声光互作用产生第一衍射光，第一衍射光为o光。

同理，第二换能器10安装于声光介质的第一通声面18上，第二焊接层17把声光介质1与第二换能器10焊接在一起。第二表电极11位于第二换能器10上，第三低温焊锡12把第三铜箔13焊接在第二表电极11上，第三铜箔13的另外一端与第二匹配网络14的连接在一起。第四低温焊锡16把第四铜箔15焊接在第二焊接层17上，第四铜箔15与第二匹配网络14的地连接在一起。射频信号RF2通过第二匹配网络14、第三铜箔13和第三低温焊锡12传输到第二表电极11上，第二换能器10吸收射频信号，并将射频信号转换为超声波28传输到声光介质1内，入射光与超声波在声光介质1内发生声光互作用产生第一衍射光，第一衍射光为o光。

同理，第三换能器22安装于声光介质的第二通声面27上，第三焊接层19把声光介质1与第三换能器22焊接在一起。第三表电极23位于第三换能器22上，第六低温焊锡24把第六铜箔25焊接在第三表电极23上，第六铜箔25的另外一端与第三匹配网络26连接在一起。第五低温焊锡20把第五铜箔21焊接在第三焊接层19上，第五铜箔21与第三匹配网络26的地连接在一起。射频信号RF3通过第三匹配网络26、第六铜箔25和第六低温焊锡24传输到第三表电极23上，第三换能器22吸收射频信号，并将射频信号转换为超声波28传输到声光介质1内，入射光与超声波在声光介质1内发生声光互作用产生第二衍射光，第二衍射光为e光。

本发明声光介质光轴方向C与通声面的方向K的夹角θ为100.5°-101.5°。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，由此本发明确定夹角θ为100.5°-101.5°。

所有的铜箔为压延铜，其厚度为5μm-15μm，这种厚度的铜箔延展性和韧性都非常好，用低温焊锡把它焊接在表电极上，能使滤光器具有非常好的环境适应性。太厚的铜箔硬度较大，使用和运输过程中的振动可能通过铜箔传递到表电极，进而损坏表电极；铜箔太薄，制作过程和使用中都容易损坏，因此不能采用太厚和太薄的铜箔。

声光可调滤光器表电极长度通常都大于2mm，因此铜箔的宽度不小于2mm（根据表电极尺寸和工艺制作的实际情况可以适当增加铜箔数量和宽度），这样射频信号从正反两面传输的总宽度就不小于4mm。以4mm计算，这时通过射频信号的铜箔宽度是常用银丝（直径0.13mm）周长的10倍，根据高频信号的趋肤效应，这样就能大幅提高射频信号传输的效率。同时，由于铜箔很薄，且是压延铜，其延展性和韧性都非常好，因此用低温焊锡把它焊接在表电极上，能使滤光器具有非常好的环境适应性。

另外，本发明在声光介质1通光面上镀制了减反膜，这种减反膜在可见光（400nm到1000nm）和中波（3000nm到4500nm）两个波段的反射率小于8%。镀制减反膜可以减少光能量的损耗，增加进入光电探测器的能量，进而增强图像的清晰度，但由于光波长范围很宽，很难在可见光（400nm到1000nm）和中波（3000nm到4500nm）两个波段同时实现很低的反射率，目前能实现的指标是小于8%。

工作原理：

换能器材料是X切型的铌酸锂晶体，它是压电晶体，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，因此本发明使用的三个换能器的厚度各不相同，第一换能器3的厚度为13.5μm-14.5μm，第二换能器10的厚度为24μm-26μm，第三换能器22的厚度为118μm-122μm。

第一换能器3的厚度为13.5μm-14.5μm，其工作的带宽范围是220MHz到120MHz。220MHz到120MHz的射频信号RF1通过第一匹配网络7、第二铜箔9和第二低温焊锡8传输到第一表电极4上，第一换能器3吸收射频信号，并将射频信号转换为超声波28传输到声光介质1内，入射光与超声波在声光介质1内发生声光互作用产生第一衍射光，第一衍射光为o光。根据声光可调滤光器的基本原理，衍射光的波长与射频信号的频率成一一对应关系，220MHz到120MHz的射频信号对应的工作波长范围是400nm到600nm。

同理，第二换能器10的厚度为24μm-26μm，其工作的带宽范围是120MHz到68MHz。120MHz到68MHz的射频信号RF2通过第二匹配网络14、第三铜箔13和第三低温焊锡12传输到第二表电极11上，第二换能器10吸收射频信号，并将射频信号转换为超声波28传输到声光介质1内，入射光与超声波在声光介质1内发生声光互作用产生第一衍射光，第一衍射光为o光。根据声光可调滤光器衍射光波长与射频信号频率成一一对应的关系，120MHz到68MHz的射频信号对应的工作波长范围是600nm到1000nm。

同理，第三换能器22的厚度为118μm-122μm，其工作的带宽范围是22MHz到14MHz。22MHz到14MHz的射频信号RF3通过第三匹配网络26、第六铜箔25和第六低温焊锡24传输到第三表电极23上，第三换能器22吸收射频信号，并将射频信号转换为超声波28传输到声光介质1内，入射光与超声波在声光介质1内发生声光互作用产生第二衍射光，第二衍射光为e光。根据声光可调滤光器衍射光波长与射频信号频率成一一对应的关系，22MHz到14MHz的射频信号对应的工作波长范围是3000nm到4500nm。

第一换能器3和第二换能器10工作产生的第一衍射光输入到可见光探测器29中，转换为电信号后再输入到图像处理系统30内；第三换能器22工作产生的第二衍射光输入到中波探测器31中，转换为电信号后再输入到图像处理系统30内，图像处理系统30把输入的信号与内部数据库比较就能识别出被探测的目标。

本发明在声光介质相对的两个通声面（第一通声面18和第二通声面27）上都制作了换能器，第一通声面18上制作了两个换能器（第一换能器3和第二换能器10），这两个换能器工作的带宽范围是220MHz到68MHz，这时滤光器对应的工作波长范围是400nm到1000nm；第二通声面27上制作了一个换能器，这个换能器的厚度为118μm-122μm，其工作的带宽范围是22MHz到14MHz，这时滤光器的工作波长范围是3000nm到4500nm，因此，这种声光可调滤光器工作波长范围同时兼顾了可见光（400nm到1000nm）和中波（3000nm到4500nm）两个波段。

需要说明的是，实际工作时，第一换能器3和第二换能器10不仅要在第一衍射光的位置滤出400nm到1000nm的o光，还会在第二衍射光的位置滤出400nm到1000nm的e光，不过由于中波探测器31对400nm到1000nm的e光不会发生光电效应，因此可以把第二衍射光位置的400nm到1000nm的e光忽略掉。同样，第三换能器22不仅要在第二衍射光的位置滤出3000nm到4500nm的e光，还会在第一衍射光的位置滤出3000nm到4500nm的o光，不过由于可见光探测器29对3000nm到4500nm的o光不会发生光电效应，因此也可以把第一衍射光位置的3000nm到4500nm的o光忽略掉。

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 (4)

1.可见光中波声光可调滤光器，包括声光介质、换能器、表电极和匹配网络，换能器通过焊接层安装于声光介质的通声面上，表电极设于换能器表面，匹配网络通过焊接引线和表电极连接；其特征在于：所述换能器为三个，分别安装在声光介质相对的两个通声面上；其中一个通声面上安装有两个换能器，这两个换能器的厚度分别为24μm-26μm和13.5μm-14.5μm，该两个厚度的换能器使滤光器工作波长覆盖整个可见光波段；另一个通声面上安装有一个换能器，该换能器厚度为118μm-122μm以使滤光器工作在中波波段；每个换能器对应着一套表电极、焊接引线和匹配网络；

声光介质光轴方向C与通声面的方向K的夹角θ在100.5°-101.5°范围内；

在声光介质通光面上镀制了减反膜，该减反膜在400nm到1000nm和3000nm到4500nm两个波段的反射率均小于8%。

2.根据权利要求1所述的可见光中波声光可调滤光器，其特征在于：连接所有匹配网络和表电极的焊接引线均为铜箔，铜箔一端通过低温焊锡焊接在表电极上，另一端与该表电极对应的匹配网络连接在一起。

3.根据权利要求1所述的可见光中波声光可调滤光器，其特征在于：在每个换能器对应的焊接层上通过低温焊锡焊接有铜箔，铜箔另一端与该换能器对应的匹配网络的地连接在一起。

4.根据权利要求2或3所述的可见光中波声光可调滤光器，其特征在于：所述铜箔为压延铜，其厚度为5μm-15μm，宽度不小于2mm。