一种具有高损伤阈值的声光Q开关的制作方法

本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种抗激光损伤阈值较高的声光q开关。

背景技术：

声光q开关是在激光腔内起调q作用的关键部件，已经广泛应用于激光打标机、激光切割机等领域，它能迅速地把连续激光调q成所需频率的高功率脉冲激光，具有衍射效率高、关断能力强、插入损耗小、重复频率高、控制方便、性能稳定可靠等特点。

随着光电子技术的发展，近年来短波激光器发展迅速，为了满足短波激光器的调q要求，人们开发了以氧化碲为声光介质的声光q开关。这种声光q开关在使用过程中容易发生通光面被激光损坏的现象。

导致激光损坏通光面的主要原因是：氧化碲晶体的损伤阈值较低，无法承受较大的激光功率。

技术实现要素：

针对上述技术问题，申请人发现可以选用氧化碲晶体制作短波声光q开关，因为其光吸收低，能满足声光q开关高透过率的要求；另外，融石英和石英晶体损伤阈值较高，但在短波的光学透过率较低，不能满足声光q开关高透过率的要求。导致融石英和石英晶体光学透过率较低的原因是材料中铝、钙、铁、钠等金属杂质及羟基(-oh)含量较高，通过提纯工艺制作高纯度的材料，降低材料中金属杂质及羟基(-oh)含量，能明显提高融石英和石英晶体的光学透过率，满足声光q开关高透过率的要求。因此，本发明提供了一种具有高损伤阈值的声光q开关。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有高损伤阈值的声光q开关，包括底座，所述底座内设置有水冷块，在底座的下部安装有与所述水冷块连通的水嘴，所述水冷块的侧壁上安装有声光介质，所述声光介质上表面设置有焊接层，所述焊接层上安装有换能器，所述换能器的上表面设置有表电极；所述表电极通过匹配网络、温度继电器连接到射频插座；所述声光介质为高纯度融石英或石英晶体，并在声光介质的通光面上镀制了减反膜。

进一步的，所述高纯度融石英或石英晶体中杂质含量小于10ppm，其中，高纯度融石英或石英晶体中本身的物质指的是二氧化硅，其杂质指的是除二氧化硅以外的元素，主要指的是铝、钙、铁、钠等金属元素的杂质。

进一步的，所述高纯度融石英或石英晶体里铝、钙、铁、钠等金属元素的杂质含量小于10ppm。

优选的，所述高纯度融石英或石英晶体里铝、钙、铁、钠等金属元素的杂质含量小于2ppm。

更优选的，所述高纯度融石英或石英晶体里铝、钙、铁、钠等金属元素的杂质含量小于1ppm。

进一步的，所述高纯度融石英和石英晶体内含羟基(-oh)含量小于5ppm。

优选的，所述高纯度融石英和石英晶体内含羟基(-oh)含量小于1ppm。

进一步的，所述减反膜为氧化铪和氟化钇。

进一步的，所述氧化铪的厚度为80nm～120nm，所述氟化钇的厚度为300nm～500nm。

优选的，所述氧化铪的厚度为100nm，所述氟化钇的厚度为400nm。

进一步的，所述声光介质与底座之间依次安装有第一导电银浆、铟箔和第二导电银浆。

优选的，所述声光介质的侧壁与底座壁之间依次安装有第一导电银浆、铟箔和第二导电银浆，底座通过两层导电银浆与焊接层电导通，能避免在声光介质上焊接地线。

进一步的，所述焊接层包括第一电极层、键合层和第二电极层；所述键合层位于两个电极层之间。

优选的，所述第一电极层、所述第二电极层均采用高纯铬，其厚度均为45nm～55nm。

优选的，所述键合层为纯度大于99.9％的高纯金或高纯银材料制作的薄膜，其厚度为1μm～3μm。

进一步的，所述声光介质的一个端面安装有吸收超声波的吸声块。

优选的，所述吸声块是陶瓷或金属材料。

可选的，所述换能器采用激发纵波的铌酸锂材料。

本发明的有益效果：

本发明用高纯度融石英或石英晶体代替氧化碲晶体，提高了材料的透过率，由于高纯度融石英或石英晶体的抗激光损伤阈值比氧化碲晶体高1个数量级，能大幅提高短波声光q开关的损伤阈值。

由于金和银的熔点高，所以本发明采用高纯金或高纯银作为键合层材料，因而能提高声光q开关承受驱动电功率的能力，增加驱动电功率则能提高声光q开关的衍射效率，弥补了采用高纯度融石英或石英晶体作为声光介质的声光优值比传统技术采用氧化碲作为声光介质低的缺点。

本发明中的底座通过导电银浆与焊接层电导通，能够避免在声光介质上焊接地线，还能减小声光介质的厚度，增加换能器热量向外壳传递的速度，防止换能器温度过高烧坏换能器或焊接层。

附图说明

图1为本发明的声光q开关结构示意图；

图2为本发明声光q开关中的局部放大图；

图中，1、底座，2、声光介质，3、匹配网络，4、温度继电器，5、射频插座，6、第一导电银浆，7、铟箔，8、第二导电银浆，9、表电极，10、换能器，11、第二电极层，12、键合层，13、第一电极层，14、水冷块，15、吸声块，16、水嘴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，给出了一种正对通光面的声光q开关结构图；具体为一种具有高损伤阈值的声光q开关，包括底座1，该底座1内设置有水冷块14，在底座1的下部安装有与所述水冷块14连通的水嘴16，所述底座1与水冷块14之间安装有声光介质2；通过匹配网络3与声光介质2相连接，所述声光介质2采用高纯度融石英或石英晶体；在匹配网络3与高频插座5之间设置有温度继电器4，温度继电器4固定连接到底座1上。

在一个实施例中，声光介质2具有多个端面，在声光介质2的其中一个端面上安装有吸收超声波的吸声块15。

在一个优选实施例中，吸声块15是陶瓷或金属材料。

在一个可实现方式中，声光介质2还可以具有两个通声面，两个通声面互相垂直，在两个通声面之间还可以设置有散热面，散热面与底座1的内侧面贴合；散热面可以分别与两个通声面呈现一定角度，当然，声光介质2的形状不是本发明的重点，本发明不对此进行限定。

在一个优选实施例中，该温度继电器4属于常闭型，一般而言，可以通过粘接的方式固定在底座上，即可以使用胶粘贴在底座1上，另外也可以采用其他的固定方式，例如采用焊接的方式固定在底座上，当然也可以在底座1的外壳上设置相应的凹槽，用于嵌入温度继电器4。

由于在匹配网络3与高频插座5之间设置有温度继电器4，该温度继电器4属常闭型，所以射频信号必需经过温度继电器4才能分别传输到换能器的表电极上，没有冷却水时底座1温度升高，温度继电器4断开，射频信号不能传输到换能器10上，能够有效避免换能器10烧坏。

本实施例在使用水冷方式进行冷却时，冷却水经过水嘴16进入底座1的水路里，进入冷却块14，对冷却块14进行冷却，这样就能将吸声面15上的热量及时传递出去，避免由于声光介质2的温度过高所导致的换能器10被烧坏。

在一个实施例中，如图2所示，图2为声光q开关中焊接层部分以及导电部分的局部放大图；所述声光介质2上表面设置有焊接层，所述焊接层上安装有换能器10，所述换能器10的上表面设置有表电极9；所述表电极9通过匹配网络3、温度继电器4连接到射频插座5。

在一个实施例中，所述焊接层是由两层电极层和一层键合层12构成的；所述焊接层包括第一电极层13、键合层12以及第二电极层11；所述键合层位于两层电极层之间。

在一个优选实施例中，所述声光介质2上表面依次设置有第一电极层13、键合层12、第二电极层11、换能器10和表电极9，所述表电极9通过匹配网络3、温度继电器4连接到射频插座5，所述声光介质2为高纯度融石英或石英晶体。

在一个较佳的实施例中，通过提纯工艺制作了高纯度的融石英和石英晶体材料，其sio2含量大于99.9999％，羟基-oh含量小于1ppm，铝、钙、铁、钠等金属元素的杂质含量小于2ppm，这两种材料在2.7微米的光吸收从提纯前的5％降低到了1％，明显提高了融石英和石英晶体的光学透过率，满足了声光q开关高透过率的要求。

sio2含量大于99.9999％的高纯度融石英或石英晶体是本发明的最佳方案，当然在实际情况中，由于提纯技术的限制，导致高纯度融石英的sio2含量有可能不大于99.9999％；但略有偏差也是能够解决本发明的技术问题的，所以本发明并不限于严格于sio2含量大于99.9999％的高纯度融石英或石英晶体。

在一个较佳的实施例中，所述声光介质2的厚度l为3～5mm，最好为3mm或者3.5mm。

在一个实施例中，声光介质侧面与底座壁之间依次安装有第一导电银浆6、铟箔7和第二导电银浆8；底座1通过两层导电银浆与铟箔7和焊接层电导通，这样能避免在声光介质2上焊接地线。

在另一个实施例中，在声光介质的底面与底座的上表面之间安装有第一导电银浆6、铟箔7和第二导电银浆8；底座通过两层导电银浆与铟箔和焊接层电导通，这样能避免在声光介质上焊接地线，能减小声光介质2的厚度。

为了证明本发明能够减小声光介质2的厚度，与本单位于2013年申请的专利cn203299481u“一种高可靠声光q开关”进行对比发现，该专利中声光介质2的厚度为4～6nm，而本发明中声光介质的厚度能够达到3～5nm，本发明大幅度的减小了声光介质2的厚度，从而能够增加换能器10热量向底座1和水冷块14传递的速度，防止换能器10温度过高烧坏换能器10或焊接层。

由于本发明不在声光介质2上焊接地线，所以能减薄声光介质2的厚度约1～2mm。在驱动器电功率100w的条件下，换能器10的温度降低了5度，使换能器10的可靠性提高了50％，因此能大幅降低换能器10烧坏的几率，提高产品的可靠性。

可以理解的是，由于在实际的设计过程中，底座1以及声光介质2的形状略有差异，因此不论导电银浆和铟箔7所具体涂覆的位置，只要能够实现底座1与焊接层的电导通均应该在本发明的保护范围内。

在一个实施例中，在声光介质2的通光面上镀制了短波谱段的减反膜，膜料为氧化铪和氟化钇，氧化铪的厚度是100nm±20nm，氟化钇的厚度是400nm±100nm。

所述氧化铪的优选厚度为80nm、100nm以及120nm。

所述氟化钇的优选厚度为300nm、400nm以及500nm。

在一个优选实施例中，镀制减反膜的顺序是先镀制100nm±20nm厚度的氟化钇，再镀制400nm±20nm厚度的氧化铪，这样2.7微米波长的反射率小于0.3％，有效减少了通光面上的反射光，从而增加声光介质2的透光量，达到了更佳的抗激光的损伤能力。

在一个优选实施例中，所述换能器10是激发纵波的铌酸锂材料，铌酸锂(linbo3，简称ln)晶体是一种重要的人工合成多功能压电、铁电和电光晶体；能够配合声光q开关的器件实现功能。

所述键合层12是纯度大于99.9％的高纯金或高纯银材料制作的薄膜，厚度约2微米，能够有效提高键合层承受电功率的能力。

在一个具体的实施例中，由于融石英的声光优值是1.51×10^-15s³/kg，而氧化碲的声光优值是34.5×10^-15s³/kg，所以氧化碲的声光优值是融石英的22.8倍。为了达到同样的衍射效率，融石英制作的声光q开关需要的驱动电功率是氧化碲的22.8倍。为了提高融石英声光q开关承受更高驱动电功率的能力，本发明采取了两个措施：

(1)采用高熔点的金(熔点1064℃)或银(熔点960℃)代替锡(熔点235℃)做键合层材料，提高键合层承受电功率的能力；

(2)减薄声光介质2的厚度，增强换能器10热量向外壳传递的速度，降低换能器10的温度，避免温度过高烧坏换能器10或键合层12。

本实施例采用融石英作为声光q开关的声光介质，选择融石英的厚度l为3mm，表电极宽度2mm，声光互作用长度40mm，在驱动电功率100w时，光波长2.7微米的衍射效率达到了50％，能满足短波的调q要求。

在一个优选实施例中，本发明在融石英声光介质的通光面上镀制了2.7微米的减反膜，膜料为氧化铪和氟化钇，氧化铪的厚度是100nm±20nm，氟化钇的厚度是400nm±20nm，其损伤阈值达到了500mw/cm²，是氧化碲声光q开关损伤阈值的10倍以上。

在实施过程中，射频电信号加载到表电极9与底座1之间(表电极9为电信号正极，底座1为电信号地极)，换能器10吸收射频电信号，将射频电信号转换为超声波，超声波经焊接层传输到声光介质2内，激光与声光介质2的发生声光互作用而产生衍射光。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：rom、ram、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。