一种宽带高效率声光调制器的制作方法

1.本实用新型涉及一种宽带高效率声光调制器，属于光电子领域。


背景技术：

2.声光调制器(又称为“声光移频器”)是一种能在激光谐振腔外改变激光频率的关键器件，主要由表电极、换能器、焊接层、声光介质、匹配网络和高频插座等组成。高频插座通过引线与匹配网络连接,表电极设于换能器表面,声光介质与换能器之间通过焊接层连接。射频信号经高频插座、匹配网络、金丝(或硅铝丝)传输到换能器表电极上,换能器把射频信号转化为超声波传输到声光介质内，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。
3.衍射光的频率由入射光光频率和射频信号的频率决定。当声光互作用为正移频作用时，衍射光的频率为入射光频率与射频信号频率之和；当声光互作用为负移频作用时，衍射光的频率为入射光频率与射频信号频率之差。
4.原子能级跃迁能产生光子，原子吸收光子也能改变原子的能级状态，因此光的频率与原子能级成一一对应的关系。一方面，在冷原子领域，为了冷却原子，需要精确调节光的频率以匹配原子能级，这就需要使用声光调制器产生衍射光的来精确调节光的频率。另一方面，为了充分利用激光能量，冷原子领域还要求衍射光的效率越高越好。而常用的声光调制器带宽有限，所以不能满足冷原子领域的需求。为了增大声光调制器的工作带宽，人们发明了多片换能器结构的超声跟踪设计。这种设计存在工艺复杂、中心频率存在衍射效率凹陷等问题，不能满足飞速发展的科研需求。再一方面，在冷原子领域，需要激光精确对准要冷却的原子，因此对激光的衍射方向有着非常高的要求，而目前的声光调制器还存在衍射光方向漂移的问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有的声光调制器所存在的带宽小、衍射光效率低和衍射光方向漂移的问题，本实用新型提供了一种宽带高效率声光调制器。采用的技术方案如下：
6.一种宽带高效率声光调制器，包括底座、晶体座、声光介质、换能器、匹配网络、高频插座；其中，底座内固定有晶体座和匹配网络，底座一侧安装有高频插座；晶体座上粘接有声光介质，声光介质一侧通过焊接层安装有换能器；换能器上安装有并排的第一表电极和第二表电极，两片表电极的长度一致，且距离一定间隔。
7.进一步的，第一表电极和第二表电极的长度均为声光调制器中心频率的特征长度l0，且两片表电极之间的间隔距离k2满足0.01l0≤k2≤0.05l0。
8.进一步的，第一表电极和第二表电极的间隔中心在声光介质中所对应的区域为声波相干增强区域，声波相干增强区域与入射光的束腰相对，也就是说这两片表电极同时接收射频电信号，产生频率相同、相位相同、传播方向相同的两列声波。由于两列声波之间间隔越小，两列声波重叠的区域越大，发生声波相干增强的效果越好，因此两片表电极的间隔
中心位置处或者靠近中心位置处是声波相干增强效果最强烈的区域，本实用新型因此将该入射光的束腰与之相对，能够获得更高的衍射光效率和更高的带宽。
9.进一步的，在晶体座一侧固定有过渡电路板，所述过渡电路板上设置有一条镀金电极，该镀金电极通过多根超声点焊的金丝第一表电极和第二表电极连接。
10.进一步的，声光介质的上方还设置有散热板，所述散热板与所述晶体座之间通过螺钉固定，并构成u型散热腔体；所述声光介质位于u型散热腔体内，并通过导热胶与所述u型散热腔体贴合。
11.进一步的，u型散热腔体的腔体底面具有一定倾斜角度，即晶体座具有一个倾斜角度的斜面，声光介质的吸声面为具有一定角度的斜面，且晶体座的斜面与声光介质的吸声面斜面相对应，且所述倾斜角度为45
°±5°
，声光介质的吸声面斜面的粗糙度大于0.1mm，u型散热腔体u型散热腔体高度h1比声光介质厚度h2大0.08mm
±
0.02mm。
12.本实用新型的积极效果是：
13.(1)本实用新型的制备工艺简单。本实用新型只需在一片换能器上镀制两片相同长度的表电极，这种工艺相比于传统技术中制备多片换能器的同时制备多片表电极能够节省更多的工艺时间和工艺成本。
14.(2)本实用新型能获得的更高的衍射效率和更高的带宽。由于两片表电极同时接收射频电信号，换能器就能产生频率相同、相位相同、传播方向相同的两列声波。由于两列声波之间间隔非常小，两列声波重叠的区域非常大，能获得声波相干增强的效果：合成声压的振幅是每列波束振幅相加，而叠加之后的平均声能量密度却是每列波束平均能量密度的四倍，这是声波干涉原理决定的。入射光通常都是汇聚光，把入射光的束腰置于声波相干增强区域，就能使声波与光波发生最强的声光互作用效应，进而获得的更高的衍射效率和更高的带宽。
15.(3)本实用新型能够解决衍射光方向漂移的问题。本实用新型中的声光介质位于u型散热腔体内，除安装有换能器一侧以外，其余所有侧面都与u型散热腔体接触，并通过导热胶与散热腔体紧密贴合。声光介质与散热板之间选用导热率较高的柔性胶如卡夫特k-5205导热胶、916导热胶等，声光介质与晶体座之间选用导热率较低的柔性胶如703硅橡胶、704硅橡胶等。这样使声光介质散热均匀，消除了声光介质内的温度梯度，进而解决了衍射光方向漂移的问题。
附图说明
16.图1为本实用新型实施例中一种宽带高效率声光调制器的结构示意图；
17.图2为本实用新型实施例中换能器的细节结构示意图；
18.图3为本实用新型优选实施例中一种宽带高效率声光调制器的结构示意图；
19.图4为本实用新型优选实施例中换能器的细节结构示意图；
20.图中，1、底座，2、晶体座，3、散热板，4、第一螺钉，5、声光介质，51、吸声面，6、第一导热胶，7、焊接层，8、换能器，9、匹配网络，10、高频插座，11、金丝，12、第二螺钉，13、过渡电路板，14、第二导热胶，15、第三导热胶，16、第一表电极，17、第二表电极，18、镀金电极，19、入射光，20、 0级光，21、衍射光，22、声波，23、声波相干增强区域。
具体实施方式
21.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
22.图1为本实用新型实施例中一种宽带高效率声光调制器的结构示意图，如图1所示，所述一种宽带高效率声光调制器包括底座1、晶体座2、声光介质5、换能器8、匹配网络9、高频插座10；其中，底座1内固定有晶体座2和匹配网络9，底座1一侧安装有高频插座10；晶体座2上粘接有声光介质5，声光介质 5一侧通过焊接层7安装有换能器8；换能器8上安装有并排的第一表电极16 和第二表电极17，两片表电极的长度一致，且距离一定间隔。
23.图2给出了本实用新型实施例中换能器的细节结构图，如图2所示，在本实用新型实施例中，在一片换能器8上设计两片表电极，分别为第一表电极16 和第二表电极17，这两片表电极长度都是k1，它们之间间隔k2。k1是声光调制器中心频率的特征长度l0相等，k2为k1长度的1％
‑‑
5％之间，即k2满足 0.01l0≤k2≤0.05l0。第一表电极16和第二表电极17的宽度也是一致的，其宽度可以根据客户实际需要进行设定。这两片表电极同时接收射频电信号，产生频率相同、相位相同、传播方向相同的两列声波22。由于两列声波22之间间隔越小，两列声波22重叠的区域越大，发生声波相干增强的效果越好，是因为合成声压的振幅是每列波束振幅相加，而叠加之后的平均声能量密度却是每列波束平均能量密度的四倍，这是声波干涉原理决定的，从图2中可以看出，入射光19通常都是汇聚光，把入射光19的束腰置于声波相干增强区域23，能够产生0级光20和衍射光21；而两片表电极的间隔中心位置处以及靠近中心位置处是声波相干增强效果最强烈的区域，本实用新型因此将该入射光19的束腰与之相对，能够获得更高的衍射光效率和更高的带宽。
24.在本实用新型的优选实施例中，第一表电极和第二表电极的长度k1与声光调制器中心频率的特征长度l0相等，而在实际情况中，可以让第一表电极和第二表电极的长度k1与中心频率的特征长度l0的误差小于5％，即第一表电极和第二表电极的长度k1可以略大于中心频率的特征长度l0，也可以略小于中心频率的特征长度l0。
25.在本实用新型实施例中，在晶体座2的一侧通过第二螺钉12固定有过渡电路板13，所述过渡电路板13上设置有一条镀金电极18，该镀金电极18通过多根超声点焊的金丝11分别与第一表电极16和第二表电极17连接，能够让射频信号rf通过高频插座10经印制板上的匹配网络9传输到引线上，再经过渡电路板13、金丝11传输到第一表电极16和第二表电极17上，表电极上的换能器 8吸收射频信号，并把射频信号转化为超声波传输到声光介质5内,在声光介质 5内形成折射率光栅，只有特定波长的光穿过声光介质5与折射率光栅发生声光互作用，才能产生衍射光21。
26.图3是本实用新型优选实施例中一种宽带高效率声光调制器的结构示意图，如图3所示，声光介质5的上方还设置有散热板3，散热板3与晶体座2之间用第一螺钉4固定在一起，用第一导热胶6把声光介质5粘贴在晶体座2(实际上粘贴在散热板3)上，晶体座有一个斜面与声光介质5的吸声面51粘合在一起。这样安装在声光介质5上的换能器8产生的热量以及吸声面51吸声吸收声波产生的热量通过散热板3与晶体座2传递到底座1外壳上，再由外壳传递散热。这种安装方式的特点是：晶体座2与散热板3构成一个u型散热腔体，声光介
质位于u型散热腔体内，并通过导热胶与散热腔体紧密贴合，便于热量的快速传递，使声光介质散热均匀，消除了声光介质内的温度梯度，进而解决了衍射光方向漂移的问题。
27.在本实用新型优选实施例中，声光介质5的厚度为h2。声光介质5吸声面 51研磨成呈45
°±5°
(夹角θ)斜面，且令该斜面粗糙度大于0.1mm。声光介质 5与换能器8之间通过焊接层7连接。散热板3与晶体座2之间用第一螺钉4固定在一起,晶体座2与散热板3构成一个u型散热腔体，u型散热腔体的高度为 h1。h1比声光介质5的厚度h2大0.08mm
±
0.02mm。声光介质5位于u型散热腔体内，并通过第一导热胶6、第二导热胶14、第三导热胶15与u散热腔体紧密粘贴在一起。
28.在本实用新型优选实施例中，所述第一导热胶6、第二导热胶14和第三导热胶15为柔性导热胶，如卡夫特k-5205导热胶、916导热胶、703硅橡胶等，这些导热胶是高端的导热化合物，具有传递热量的作用，同时不会固体化，不会导电的特性可以避免诸如电路短路等风险。
29.在本实用新型优选实施例中，所述晶体座2和所述底座1为铝合金材料，所述散热板3为铜合金材料，合金材料的选择中，考虑到所述晶体座2和所述底座1的基本属性是支撑，因此本实施例采用铝合金材料，考虑到所述散热板3 的基本属性是散热，因此本实施例采用铜合金材料。
30.在本实用新型实施例中，所述焊接层7材料为铬、金、银、锡等金属材料。
31.在本实用新型优选实施例中，所述声光介质5为氧化碲晶体、磷化镓晶体、石英晶体、钼酸铅晶体、铌酸锂晶体、磷化铟晶体、融石英等材料。
32.图4给出了本实用新型优选实施例中换能器的细节结构图，如图4所示，在本实用新型实施例中，同样是在一片换能器8上设计两片表电极，分别为第一表电极16和第二表电极17，这两片表电极长度都是k1，它们之间间隔k2。 k1是声光调制器中心频率的特征长度l0相等(误差小于5％)，k2满足 0.01l0≤k2≤0.05l0。第一表电极16和第二表电极17的宽度h也是完全一致的，其宽度可以根据客户实际需要进行设定。在本实用新型实施例中，匹配网络9 为由两个电感l1和l2、以及一个电容c组成的π型匹配网络。
33.在本实用新型的一个实施例中，假设声光介质5为氧化碲晶体，利用氧化碲晶体制作了一种宽带高效率声光调制器，超声波沿晶体[001]轴传播其声速为4200m/s，工作的光波长为780nm，工作的中心频率为110mhz，中心频率的特征长度为4.3mm。
[0034]
晶体座2和底座1为铝合金材料，散热板3为铜合金材料。u型散热腔体的高度h1为4.1mm，声光介质5的厚度h2为4.02mm。
[0035]
散热板3上的热量要通过晶体座2传递散热，为了平衡声光介质5上表面 (靠近散热板3)与下表面(靠近晶体座2)的散热速度，让声光介质5上表面与下表面的温度一致，解决声光介质5上表面与下表面温度差异带来衍射光漂移问题，因此，本实用新型实施例中第一导热胶6可以选用导热率较高的卡夫特k-5205导热胶，而第二导热胶14和第三导热胶15则可以选用导热率较低的 703硅橡胶。
[0036]
可以理解的是，本实用新型实施例中通过设计出u型散热腔体结构，能够充分增大声光介质5的散热面积，加快散热速度，同时还在上下表面设置了具有不同导热率的导热胶来平衡声光介质5不同表面的散热速度，能够使声光介质散热更佳均匀，从而进一步消除了声光介质内的温度梯度，进而解决了衍射光方向漂移的问题。
[0037]
在本实用新型的一些实施例中，第一表电极16和第二表电极17的长度l1 分别为4.3mm，第一表电极16和第二表电极17之间的间隔为0.15mm。这该器件中心频率的衍射效率达到了91％，没有发生中心频率衍射效率凹陷问题。该器件2db带宽(当衍射效率下降到峰值的67％时，声光调制器工作的频率范围)达到了50mhz，该器件3db带宽(当衍射效率下降到峰值的50％时，声光调制器工作的频率范围)达到了70mhz。
[0038]
用激光测试该器件的衍射光方向，衍射光方向没有发生频移问题。
[0039]
本实用新型的上述实施例仅仅是为说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。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。凡是属于本实用新型的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。
[0040]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0041]
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0042]
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。