专利名称：变周期声学超晶格及超高频宽带声光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及超高频宽带声光器件的制作。
声光器件可以对激光束的频率，方向和强度等各种特性进行快速而有效的控制，因此被广泛用于声光调频，激光锁模和光讯号处理等领域中。其中体波声光器件适用于诸如激光显示和激光记录等需要强激光或需要激光束能量有较大利用率的场合。为了满足体波声光器件对可分辨点数和带宽的要求，超声波的频率应处于100MHz至数千兆之间，低于100MHz，不能满足上述要求，而频率过高，则由于声光互作用介质的声衰减太大而无法实用化。体波声光器件的关键是压电换能器。目前国内外制备体波超高频声光器件均采用单片压电换能器，因片厚极薄，加工困难，且换能效率不高。
本发明的目的是用变周期声学超晶格材料制作换能效率高和工作频率高的声光器件，可大幅度增加带宽，并可通过变周期的设计而得到所需的带宽。
变周期声学超晶格声光器件的工作原理大致如下通过导电电极给变周期声学超晶格加上一交变外电场，由于超晶格是压电材料，这一外电场将在超晶格内激发出超声波，当超声波传入声光互作用介质后，则与激光束发生相互作用，使激光束发生衍射，衍射光偏转角的大小与超声波的频率成正比，衍射光的强度与超声波的强度成正比，因此通过改变超声波的频率可获得不同方向的衍射光，通过改变超声波的强度可调制衍射光的强度。
变周期声学超晶格是指层厚逐渐变化的声学超晶格，包括用直拉法(Czochralski)制备的具有变周期180度畴反转结构的铁电单晶体(如LiNbO3，LiTaO3，Ba2NaNb5O15等)，和用MOCVD，PLD(Pulsed Laser Deposition)方法制备的多层复合材料，具体方法是选择压电材料，如LiNbO3，LiTaO3，PbTiO3，Li2B4O7，石英，ZnO，PZT，PLZT，Bi12GeO20，Bi4Ti3O12等，和非压电材料，如MgO，TiO2，SrTiO3，Al2O3等，在合适的衬底材料上通过控制每一层的生长时间，生长出二组元或多组元的变周期声学超晶格;也可用任意二种或多种压电常数不同的材料生长，譬如用MOCVD或PLD法交替生长压电材料LiNbO3和非压电材料MgO即可制成声学超晶格。变周期声学超晶格的层数可为数层至数百层，层的厚度可在亚微米(零点几微米)至数十微米的范围内选择。
以变周期声学超晶格作压电换能器，以氧化碲，钼酸铅，石英，单畴LiNbO3或Al2O3等作声光互作用介质，用铟冷压焊，超声焊等方法将两者键合起来即制成声光器件。或是在上述声光互作用介质上先生长一导电电极层(包括Au，Ag，Al等金属或导电陶瓷，如La0.5Sr0.5CoO3等)，再生长变周期声学超晶格，最后再生长一层导电电极层。
与单片换能器相比，变周期声学超晶格具有如下特点一是工作频率高(频率与层厚成反比，层越薄，频率越高)，二是换能效率高(周期声学超晶格的换能效率与层数的平方成正比，变周期声学超晶格的换能效率小于周期声学超晶格，但远大于单片换能器)，三是可获得很大的带宽，且加工较易。
以下结合附图
和通过实施例对本发明作进一步的说明图一为本发明的结构和应用示意图。压电材料(或正畴)1与非压电材料(或负畴)2相间，层数在几到几百之间，层厚在微米量级，在超晶格材料的两端均生长或镀有电极3。电极上外加高频电压(频率范围在几百兆到数千兆，电压幅度为几伏至数十伏)，传入声光互作用介质4的超声波5可以使入射激光6发生衍射7。
以下实施例所用压电，非压电材料均在上述范围选择，声光互作用介质材料也是如此。
(1)正常布拉格衍射器件超声波为纵波模式(例如用C轴取向的LiNbO3变周期声学超晶格作压电换能器可满足此要求)。周期为几微米到十几微米的变周期声学超晶格可激发几百兆至1-2千兆的纵波超声波。
(2)反常布拉格衍射器件超声波为切变波模式(例如用A轴取向的LiNbO3变周期声学超晶格作压电换能器可满足此要求)。周期为几微米到十几微米的变周期声学超晶格可激发几百兆至1-2千兆的切变波超声波。
(3)宽带布拉格衍射器件例如用层厚从9微米变化至40微米的变周期声学晶格作换能器，层数在30左右，其带宽可达600MHz左右。
权利要求
1.一种声学超晶格材料制成的超高频声光器件，其特征是用直拉法制备的具有180度畴反转结构的铁电单晶体和用MOCVD，PLD方法制备的压电材料和非压电材料或多种压电系数不同的压电材料交替迭合的多层复合材料与声光互作用介质以铟冷压焊或超声焊等方法键合而成，在超晶格材料的两面均镀有或生长有导电电极。
2.由权利1所述的超高频声光器件其特征是在声光互作用介质材料上直接生长电极，再生长声学超晶格材料或是直接利用直拉法制备的具有180度畴反转结构的铁电单晶体，在镀上电极后和声光互作用介质材料键合而成。
3.由权利1，2所述的超高频声光器件其特征是声光互作用介质材料在下列材料中选择氧化碲，钼酸铅，石英，单畴LiNbO3或Al2O3等。压电材料为LiNbO3，LiTaO3，PbTiO3，Li2B4O7，石英，ZnO，PZT，PLZT，Bi12GeO20，Bi4Ti3O12等，非压电材料为MgO，TiO2，SrTiO3，Al2O3等。变周期声学超晶格的层数可为数层至数百层，层的厚度可在亚微米(零点几微米)至数十微米的范围内选择。
全文摘要
一种声学超晶格材料制成的超高频声光器件，其特征是用直拉法制备的具有180度畴反转结构的铁电单晶体和用MOCVD，PLD方法制备的压电材料和非压电材料或多种压电系数不同的压电材料交替迭合的多层复合材料与声光互作用介质以铟冷压焊或超声焊等方法键合而成，在超晶格材料的两面均镀有或生长有导电电极。
文档编号H01L41/00GK1106582SQ9410160
公开日1995年8月9日 申请日期1994年2月2日 优先权日1994年2月2日
发明者闵乃本, 朱永元, 程士德, 陈延峰, 刘治国, 刘俊明 申请人:南京大学