CN219245885U - 大宽带声光滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大宽带声光滤波器，其特征在于：包括上表面为平面的声光介质主体和设在声光介质主体上表面上的上膜层，所述上膜层上表面连接有至少两组的预先制作成形的压电薄膜层和连接在压电薄膜层上表面的顶电极层，各组压电薄膜层与顶电极层形成的总厚度不同，在声光介质主体上的上膜层与压电薄膜层连接固定后，上膜层即成为换能器的底电极，顶电极层即成为换能器的顶电极，压电薄膜层作为声光滤波器的换能器；本实用新型通过设置至少两组不同厚度的换能器，使换能器振动产生的超声波在声光介质主体内形成相位差，叠加形成衍射声束，使声光介质主体内传播的入射光能够在更大频率范围内完成布拉格衍射，增加了带宽。

Description

大宽带声光滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种大宽带声光滤波器。

背景技术

声光调制器是基于光弹(弹光)效应原理制作的器件，其可以作为声光开关、声光滤波器等使用，其基本结构包括换能器和声光介质；根据光弹(弹光)效应，超声信号通过换能器注入声光介质上，由于换能器的振动引起声光介质发生应变，产生压缩和稀薄的区域，形成移动相位光栅；当光束通过声光介质时，光会发生偏转或频率偏移，可将入射光的一部分衍射成一个或多个光斑，这种现象被称为声光衍射。

声光调制器常用于激光调Q，激光选脉冲，光束强度控制、频率改变、波长滤波及改变光束方向等，用于波长滤波的称为声光滤波器。

目前声光滤波器的制作方法主要是首先制作声光介质，接着在声光介质上表面镀膜一层底电极层，再接着在底电极层上键合由晶体材料制成的换能器，然后根据使用需要对换能器上表面进行研磨减薄以达到要求厚度，最后在换能器上表面镀膜一层顶电极层，在成品后再进行测试换能器、声光滤波器是否合格。

由于换能器由晶体材料制成，晶体材料的形成需要一定的生成时间，从而造成现有声光滤波器制作成本较高、工艺周期长；由于换能器的厚度直接影响声光滤波器是否合格，而换能器的厚度通常在6-80微米，厚度的公差在正负2微米，换能器要在上述尺寸公差内的研磨减薄难度较大，成品合格率也就较低。

另外目前的声光滤波器均采用单片换能器的平面结构，这种常规平面结构的换能器使得超声波方向固定，存在带宽小而导致扫描角度小的问题。

发明内容

鉴于现有技术的上述不足，本实用新型的目的在于提供一种大宽带声光滤波器，该大宽带声光滤波器设计合理，有利于提高声光滤波器的制作效率和成品率的同时，提高宽带。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型大宽带声光滤波器，其特征在于：包括上表面为平面的声光介质主体和设在声光介质主体上表面上的上膜层，所述上膜层上表面连接有至少两组的预先制作成形的压电薄膜层和连接在压电薄膜层上表面的顶电极层，各组压电薄膜层与顶电极层形成的总厚度不同，在声光介质主体上的上膜层与压电薄膜层连接固定后，上膜层即成为换能器的底电极，顶电极层即成为换能器的顶电极，压电薄膜层作为声光滤波器的换能器。

进一步的，上述压电薄膜层是PZT压电薄膜或PVDF压电薄膜。

进一步的，上述顶电极层和上膜层均为导电层。

进一步的，上述预先制作成形的压电薄膜层的厚度等于换能器内超声波波长的一半，或者也等于超声波速度除以两倍的超声波频率。

进一步的，上述声光介质主体的材料为TeO₂、石英晶体、熔融石英、α-BBO晶体、Ge晶体或DKDP晶体。

进一步的，上述上膜层以粘接、键合或镀膜的方式连接在压电薄膜层的上表面，顶电极层以粘接、键合或镀膜的方式连接在压电薄膜层上，压电薄膜层以粘接或键合方式连接在上膜层上。

进一步的，上述压电薄膜层、顶电极层覆盖和上膜层覆盖声光介质主体的整个上表面区域。

进一步的，上述声光介质主体的形状为方柱形，压电薄膜层的形状为方形。

进一步的，每组压电薄膜层、顶电极层的长度等于上膜层长度的20-50％，每组压电薄膜层、顶电极层的宽度等于上膜层2宽度的30-100％。

本实用新型大宽带声光滤波器的制作方法，制作时，分别按照相应要求预先制作声光介质主体和两组或三组不同厚度的压电薄膜层，在声光介质主体上表面以粘接或镀膜的方式连接上膜层，在压电薄膜层的上表面分别以粘接或镀膜的方式连接顶电极层，将两组或三组压电薄膜层以粘接或键合的方式连接在上膜层上。

本实用新型大宽带声光滤波器的优点：由于采用压电薄膜层作为声光滤波器的换能器，而压电薄膜层可以预先制成，该压电薄膜层的材料可以是PZT压电薄膜、PVDF压电薄膜或其它具有压电性能的材料，该些材料均可以如塑料薄膜那样按照预定的厚度要求一次性大批量的制成，无需如晶体制成的换能器那样需要晶体较长时间的生成，以及后续的减薄处理，从而可以大大简化工序，缩短声光滤波器的制作时间，以及降低了不良率。

同时本实用新型通过设置不同厚度(即阶梯结构)的压电薄膜层作为换能器，使换能器振动产生的超声波在声光介质主体内形成相位差，相邻换能器声波相互干涉叠加，超声能量集中在干涉加强的方向，叠加形成衍射声束，声束能随频率变化改变方向，当频率改变，超声波可利用声束的方向随之改变，使声光介质主体内传播的入射光能够在更大频率范围内完成布拉格衍射，增加了带宽，中心频率时，超声波衍射的可利用声束集中于一个主方向，提高了能量利用率；在其他频率下也会出现能量集中于两个方向。

附图说明

图1、2是本实用新型声光滤波器的构造示意图；

图3是声光滤波器内完成布拉格衍射的机理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

本实用新型大宽带声光滤波器包括上表面为平面的声光介质主体1和设在声光介质主体上表面上的上膜层2，声光介质主体的材料可以为TeO2、石英晶体、熔融石英、α-BBO晶体、Ge晶体或DKDP晶体等；上膜层2为导电层，其具体可以是铜质膜、铝质膜或银质膜等，该上膜层2作为连接声光介质主体1与换能器的连接层，也作为声光滤波器的底电极。

上膜层2上表面连接有两组或三组(甚至四组)预先制作成形的压电薄膜层3，在压电薄膜层上表面连接顶电极层4，压电薄膜层3的制作工艺为现有技术(如中国专利发明名称：一种压电薄膜及其制备方法，公开号CN112592502A)在此不做累述，在压电薄膜层上表面上连接顶电极层4，可以采用镀膜的方式，或者粘接等的方式；同样顶电极层4为导电层，其具体可以是铜质膜、铝质膜或银质膜等。

在声光介质主体上的上膜层与压电薄膜层连接固定后，上膜层即成为换能器的底电极，顶电极层即成为换能器的顶电极，压电薄膜层作为声光滤波器的换能器。

具体的，上述预先制作成形的压电薄膜层的厚度等于换能器内超声波波长的一半，或者也等于超声波速度除以两倍的超声波频率，当然该厚度还可以根据具体设计需要进行制作，该种以压电薄膜层3作为换能器，较现有的晶体质的换能器具有显著缩短制作周期、提高良品率的优点。

具体的，上述上膜层以粘接、键合或镀膜的方式连接在压电薄膜层的上表面，顶电极层以粘接、键合或镀膜的方式连接在压电薄膜层上，压电薄膜层以粘接或键合方式连接在上膜层上。

上述两组或三组(甚至四组)的压电薄膜层3的厚度不同，每组压电薄膜层3、顶电极层4的长度等于上膜层2长度的20-50％，每组压电薄膜层3、顶电极层4的宽度等于上膜层2宽度的30-100％，即在上膜层2上均布有两组或三组(甚至四组)厚度不同的压电薄膜层3。

单个换能器结构的声光滤波器，其超声波存在一定的发散角，但超声波方向固定，只能完成较小范围频率下的布拉格衍射，带宽较小；当将一个换能器分成多个，每个换能器发出的超声波相干叠加，超声能量集中在干涉加强的方向，形成多级衍射声束，声束角度会随着频率的改变而变化，自动跟踪布拉格角，大大增加布拉格带宽；多个阶梯结构换能器振动产生的可利用声束能集中于一个方向并随频率改变，既能有效增大带宽，又能达到较高的能量利用率。

两个不同高度的换能器振动产生的超声波相干叠加并在声光晶体内传播，高度差为声光晶体阶梯高度h,此时相邻换能器产生的超声波声程差ΔL＝ΔL₁+ΔL₂，则相位差

阶梯高度h设定为中心频率时的波长，中心频率时，超声波声束集中于一个方向垂直阶梯平面传播，能量利用率达到最高，相邻换能器声程差相差一个波长，衍射角为零，将此时的相位差记为零，则相位差：/>

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利用单缝衍射因子和双缝干涉因子相乘计算得到声强/>

当频率为中心频率的一半，波长为阶梯高度的两倍，则相位差为π，声程差为阶梯高度的三倍，此时声波分别在两个方向形成对称的声压级，能量利用率达到最低。

阶梯换能器的声光滤波器在使用时，需特别注意入射光入射的方向，因为台阶高低方向不同，导致声波衍射的方向不同，需要保证声波衍射的最大能量级刚好处于布拉格衍射的方向，才能使能量利用率达到最大，因此，入射光应从台阶高的那一侧入射，这样，当波长改变，声波衍射方向才能跟随布拉格衍射方向。

如图3所示，阶梯声光晶体的台阶高度设置为中心频率时的波长，中心频率时，两个换能器振动产生的超声波互相干涉形成的能量级主方向刚好沿垂直台阶的方向。设置入射光从台阶高的一边入射，当频率减小、波长增大时，超声波主方向向右偏移，当频率增大、波长减小，超声波主方向向左偏移，与预设目标一致。

本实用新型通过设置不同厚度(即阶梯结构)的压电薄膜层作为换能器，使换能器振动产生的超声波在声光介质主体内形成相位差，相邻换能器声波相互干涉叠加，超声能量集中在干涉加强的方向，叠加形成衍射声束，声束能随频率变化改变方向，当频率改变，超声波可利用声束的方向随之改变，使声光介质主体内传播的入射光能够在更大频率范围内完成布拉格衍射，增加了带宽，中心频率时，超声波衍射的可利用声束集中于一个主方向，提高了能量利用率；在其他频率下也会出现能量集中于两个方向。

本实用新型大宽带声光滤波器的优点：由于采用压电薄膜层作为声光滤波器的换能器，而压电薄膜层可以预先制成，压电薄膜层可以如塑料薄膜那样按照预定的厚度要求一次性大批量的制成，无需如晶体制成的换能器那样需要晶体较长时间的生成，以及后续的减薄处理，从而可以大大简化工序，缩短声光滤波器的制作时间，以及降低了不良率；同时设置不同厚度(即阶梯结构)的压电薄膜层作为换能器，使换能器振动产生的超声波在声光介质主体内形成相位差，使声光介质主体内传播的入射光能够在更大频率范围内完成布拉格衍射，增加了带宽。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的发明目的、技术方案、以及有益效果进行了进一步的详细说明。应当理解，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员而言，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大宽带声光滤波器，其特征在于：包括上表面为平面的声光介质主体和设在声光介质主体上表面上的上膜层，所述上膜层上表面连接有至少两组的预先制作成形的压电薄膜层和连接在压电薄膜层上表面的顶电极层，各组压电薄膜层与顶电极层形成的总厚度不同，在声光介质主体上的上膜层与压电薄膜层连接固定后，上膜层即成为换能器的底电极，顶电极层即成为换能器的顶电极，压电薄膜层作为声光滤波器的换能器。

2.根据权利要求1所述的大宽带声光滤波器，其特征在于：所述压电薄膜层是PZT压电薄膜或PVDF压电薄膜。

3.根据权利要求1所述的大宽带声光滤波器，其特征在于：所述顶电极层和上膜层均为导电层。

4.根据权利要求1所述的大宽带声光滤波器，其特征在于：所述预先制作成形的压电薄膜层的厚度等于换能器内超声波波长的一半，或者也等于超声波速度除以两倍的超声波频率。

5.根据权利要求1所述的大宽带声光滤波器，其特征在于：所述声光介质主体的材料为TeO₂、石英晶体、熔融石英、α-BBO晶体、Ge晶体或DKDP晶体。

6.根据权利要求1所述的大宽带声光滤波器，其特征在于：所述上膜层以粘接、键合或镀膜的方式连接在压电薄膜层的上表面，顶电极层以粘接、键合或镀膜的方式连接在压电薄膜层上，压电薄膜层以粘接或键合方式连接在上膜层上。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的大宽带声光滤波器，其特征在于：所述声光介质主体的形状为方柱形，压电薄膜层的形状为方形。

8.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的大宽带声光滤波器，其特征在于：每组压电薄膜层、顶电极层的长度等于上膜层长度的20-50%，每组压电薄膜层、顶电极层的宽度等于上膜层宽度的30-100%。

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