大孔径双色声光可调滤光器的制作方法

本发明属于光电子技术领域，具体涉及光谱成像与光谱分析的大孔径双色声光可调滤光器(acousto-optictunablefilter，aotf)。

背景技术：

1974年，张以拯(i.c.chang)采用“切面平行动量匹配条件”理论制成了首个非共线的大孔径角声光可调滤光器。这种非共线型声光可调滤光器具有入射孔径角大、体积小、扫描速度快、调谐范围宽、高和环境适应性好等优点，使得它在光谱成像、快速光谱分析等领域有了广泛的应用。

声光可调滤光器孔径角越大，入射光与超声波发生声光互作用的光能量越多，滤出的衍射光就越多，整机系统的灵敏度越高，成像越清晰，光谱分析越准确。

大孔径角声光可调滤光器的声光介质主要采用的是氧化碲晶体。氧化碲晶体是双折射晶体，其o光和e光的折射率是不一样的。在设计大孔径角声光可调滤光器时，对于同一个入射极角θ，入射o光需要的最佳超声极角是θ，入射e光需要的最佳超声极角是θ，θ和θ是不一样的，不一样的根源是o光和e光的折射率不同(o光和e光的折射率一样的晶体无法制作大孔径角声光可调滤光器)。

常用的大孔径角声光可调滤光器都是针对入射e光设计的，人们已经推导出了入射e光大孔径角声光可调滤光器的系列计算公式：超声极角公式、孔径角公式、频率与波长的关系式等，还没有人推导入射o光大孔径角声光可调滤光器的计算公式。

当需要一个声光可调滤光器同时对入射o光和入射e光进行滤光(双色滤光)时，目前采用的是同一个超声极角θ，而没有分别对入射o光和入射e光进行设计，这样的优点是工艺简单，缺点是不能让入射o光和入射e光同时获得大孔径角。实验表明，如果入射o光和入射e光都采用同一个超声极角，只能让一个入射光(入射o光或入射e光)获得大孔径角(设为γ)，另一个入射光的孔径角只能达到γ的一半。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明提出了大孔径双色声光可调滤光器，可以让入射o光和入射e光同时获得大孔径角。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种大孔径双色声光可调滤光器，所述可调滤光器包括氧化碲晶体1，所述氧化碲晶体1为六棱柱，该六棱柱的侧面包括第一通声面5和第二通声面12，第一吸声面2和第二吸声面9以及入光面4和出光面11；所述入光面4位于所述第一通声面5和所述第一吸声面2之间，所述出光面11位于所述第二通声面12和第二吸声面9之间；在所述第一通声面5垂直方向上依次设置有第一键合层8、第一换能器7以及第一表电极6，在所述第二通声面12垂直方向上依次设置有第二键合层13、第二换能器14以及第二表电极15；其中，第一键合层8与第一通声面5直接连接；第二键合层13与第二通声面12直接连接。

进一步的，所述可调滤光器内还包括入射光路，所述入射光路垂直于所述入光面4，入射o光和入射e光共用所述入射光路；从所述入射光路中分别发射出入射e光和入射o光；计算出入射e光需要的最佳超声极角θe以及入射o光需要的最佳超声极角θo；入射o光与第二超声波10发生声光互作用产生的衍射e光；入射e光与第一超声波3发生声光互作用产生的衍射o光；并分别确定出入射e光和入射o光的水平孔径角和竖直孔径角；其中，入射光路与第一光轴[001]之间的夹角为θi，即入射极角为θi。

优选的，所述第一超声波3的形成包括由射频信号rf1经第一表电极6输入到第一换能器7上，第一换能器7把射频信号rf1转化为超声振动传输到氧化碲晶体1内，从而在氧化碲晶体1内形成第一超声波3；所述第二超声波10的形成包括由射频信号rf2经第二表电极15输入到第二换能器14上，第二换能器14把射频信号rf2转化为超声振动传输到氧化碲晶体1内，从而在氧化碲晶体1内形成第二超声波10。

进一步的，所述第一通声面5和所述第二通声面12不平行，其夹角β满足公式β＝|θe-θo|，其中，θe表示入射e光需要的最佳超声极角，即第一通声面5的法线与第一光轴[001]之间的夹角；θo表示入射o光需要的最佳超声极角，即第二通声面12的法线与第一光轴[001]之间的夹角。因而，氧化碲晶体则为非正六棱柱。

进一步的，所述入射e光需要的最佳超声极角的计算公式包括ni表示入射e光在氧化碲晶体1内的折射率，no表示氧化碲晶体1内的o光折射率，α1表示入射e光与衍射o光在氧化碲晶体1内形成的夹角。

进一步的，入射e光的水平孔径角δθe和竖直孔径角δфe分别满足以下公式：

其中，λ0表示为光波长，l表示为声光互作用长度，δn为氧化碲晶体1内o光折射率no与反常e光折射率ne之差。

进一步的，所述入射o光需要的最佳超声极角的计算公式包括nd表示衍射e光在氧化碲晶体1内的折射率；α2表示入射o光与衍射e光在氧化碲晶体1内的夹角；no表示氧化碲晶体1内的o光折射率。

进一步的，入射o光的水平孔径角δθo和竖直孔径角δфo满足公式：

其中，λ0表示为光波长；l表示为声光互作用长度；δn为氧化碲晶体1内o光折射率no与反常e光折射率ne之差；v为氧化碲晶体1内超声波的速度；f表示输入射频信号频率；σ的计算公式为：

具体而言，本发明中入射o光和入射e光是共用一个光路入射，它们采用的是同一个入射极角θi。氧化碲晶体的两个通声面不平行：一个通声面，即第二超声面的第二超声极角是θo，它是专门针对入射o光设计的，能满足入射o光的大孔径角要求；另一个通声面，即第一超声面的第一超声极角是θe，它是专门针对入射e光设计的，能满足入射e光的大孔径角要求。

本发明在氧化碲晶体的两个通声面上分别设计制作了换能器，超声极角为θo的通声面上的换能器厚度设为lo，超声极角为θe的通声面上的换能器厚度设为le。两个换能器的厚度lo和le可以一样，也可以不一样。换能器厚度一样，则入射o光和入射e光的滤光范围相同；换能器厚度不一样，则入射o光和入射e光的滤光范围不一样，入射o光和入射e光可以分别工作在可见光到中波范围内的任意一段。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明中入射o光和入射e光共用一个光路入射，因而便于光路设计，且使用方便；

2、氧化碲晶体的两个通声面不平行：一个是专门针对入射o光设计(其超声极角为θo)，另一个是专门针对入射e光设计(其超声极角为θe)，入射o光和入射e光都能满足大孔径角的要求；

3、在氧化碲晶体的两个通声面上分别设计制作了换能器，换能器的厚度可以分别独立控制。当两个换能器的厚度一样时，入射o光和入射e光的滤光范围相同；换能器厚度不一样，则入射o光和入射e光的滤光范围不一样，可以根据需要分别设计。

附图说明

图1为本发明的主结构示意图；

图中，1、氧化碲晶体，2、第一吸声面，3、第一超声波，4、入光面，5、第一通声面，6、第一表电极，7、第一换能器，8、第一键合层，9、第二吸声面，10、第二超声波，11、出光面，12、第二通声面，13、第二键合层，14、第二换能器，15、第二表电极。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

本发明大孔径双色声光可调滤光器，如图1所示，所述可调滤光器包括氧化碲晶体1，所述氧化碲晶体1为六棱柱，该六棱柱的侧面包括第一通声面5和第二通声面12，第一吸声面2和第二吸声面9以及入光面4和出光面11；所述入光面4位于所述第一通声面5和所述第一吸声面2之间，所述出光面11位于所述第二通声面12和第二吸声面9之间；在所述第一通声面5垂直方向上依次设置有第一键合层8、第一换能器7以及第一表电极6，在所述第二通声面12垂直方向上依次设置有第二键合层13、第二换能器14以及第二表电极15；其中，第一键合层8与第一通声面5直接连接；第二键合层13与第二通声面12直接连接。

可以理解的是，本发明的键合层均是贴合在通声面上，在通声面的另一面设置有键合层，在键合层的上方设置有换能器，换能器上安装有表电极。

本发明在第一通声面5上设置了第一键合层8，在第一键合层8的上方依次安装有第一换能器7和第一表电极6。在第二通声面12上设置了第二键合层13，在第二键合层13上方依次设置了第二换能器14和第二表电极15。

其中，由射频信号rf1经第一表电极6输入到第一换能器7上，第一换能器7把射频信号rf1转化为超声振动传输到氧化碲晶体1内，从而在氧化碲晶体1内形成第一超声波3；由射频信号rf2经第二表电极15输入到第二换能器14上，第二换能器14把射频信号rf2转化为超声振动传输到氧化碲晶体1内，从而在氧化碲晶体1内形成第二超声波10。

入射o光和入射e光是共用一个光路入射，它们与第一光轴[001]之间的夹角为θi(即入射极角θi)，并垂直于入光面4；图1中[110]表示为第二光轴[110]。

第一通声面5的法线与光轴[001]之间的夹角为θe(即第一超声极角θe)，θe满足公式(1)，误差小于3′。

(1)式中，ni是入射e光在氧化碲晶体1内的折射率，no是氧化碲晶体1内的o光折射率，包括衍射o光和入射o光；由于o光在晶体中传播的时候，不管朝哪个方向，其折射率都是固定不变的；α是入射e光与衍射o光在氧化碲晶体1内的夹角。衍射o光是由入射e光和第一超声波3发生声光互作用产生的。这时入射e光的水平孔径角δθe和竖直孔径角δфe满足公式：

(2)式和(3)式中，λ0为光波长，l为声光互作用长度，δn为氧化碲晶体1内o光折射率no与反常e光折射率ne之差。

第二通声面12的法线与光轴[001]之间的夹角为θo(即超声极角θo)，θo满足公式，误差小于3′。

(4)式中，nd是衍射e光在氧化碲晶体1内的折射率，衍射e光是由入射o光与第二超声波10发生声光互作用产生的，α是入射o光与衍射e光在氧化碲晶体1内的夹角。这时入射o光的水平孔径角δθo和竖直孔径角δфo满足公式：

(5)式中：

(6)式中v为氧化碲晶体1内超声波的速度。第一通声面5与第二通声面12不平行，它们之间的夹角为β，β满足公式：

β＝|θe-θo|(8)

其中，(1)式、(2)式、(3)式、(4)式、(5)式、和(6)式都是根据“切面平行动量匹配条件”理论推导出来的，(1)式使入射e光满足大孔径角的要求，(4)式使入射o光满足大孔径角的要求。(2)式和(3)式是入射e光能获得的水平孔径角和竖直孔径角，(5)式和(6)式是入射o光能获得的水平孔径角和竖直孔径角。

在满足大孔径角的条件下，入射o光滤出光波长λ0与输入射频信号频率f之间的关系如下：

第一通声面5上的换能器厚度设为le，第二通声面12上的换能器厚度设为lo。两个换能器的厚度lo和le可以一样，也可以不一样。若两者换能器厚度一样，则入射o光和入射e光的滤光范围相同；若两者换能器厚度不一样，则入射o光和入射e光的滤光范围不一样，本领域技术人员可以根据需要设定入射o光和入射e光，使其分别工作在可见光到中波范围内的任意一段。

工作时，射频信号rf1经第一表电极6输入到第一换能器7上，第一换能器7把射频信号rf1转化为超声振动传输到氧化碲晶体1内。在氧化碲晶体1内形成第一超声波3。入射e光与第一超声波3发生声光互作用产生衍射o光。衍射o光的波长与射频信号rf1的频率成一一对应的关系，即一个频率的射频信号滤出一个波长的衍射o光。由于第一超声极角θe是满足“切面平行动量匹配条件”理论的，因此在一个大孔径角范围内的入射e光都能与第一超声波3发生声光互作用产生衍射o光，这样能充分利用入射e光的能量，获得最大能量的衍射o光。

同理，射频信号rf2经第二表电极15输入到第二换能器14上，第二换能器14把射频信号rf2转化为超声振动传输到氧化碲晶体1内。在氧化碲晶体1内形成第二超声波10。入射o光与第二超声波10发生声光互作用产生衍射e光。衍射e光的波长与射频信号rf2的频率成一一对应的关系，即一个频率的射频信号滤出一个波长的衍射e光。由于第二超声极角θo是满足“切面平行动量匹配条件”理论的，因此在一个大孔径角范围内的入射o光都能与第二超声波10发生声光互作用产生衍射e光，这样能充分利用入射o光的能量，获得最大能量的衍射e光。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例结合具体参数，对本发明做进一步说明，本实施例中入射极角θi取20°，根据公式(1)，入射e光需要的最佳超声极角θe是98.6°；根据公式(2)，入射o光需要的最佳超声极角θo是99.6°。通声面5与通声面12之间的夹角β为1°。

第一通声面5上的换能器厚度le为20微米，其工作频率范围是83mhz～157mhz，对应滤出入射e光的波长范围是0.75微米～0.45微米，对应的水平孔径角为7.7°～5.9°(互作用长度l为3.5mm)，对应的竖直孔径角为9.8°～7.5°(互作用长度l为3.5mm)。通声面12上的换能器厚度lo为131.5微米，其工作频率范围是14.6mhz～21.9mhz，对应滤出入射o光的波长范围是4.5微米～3微米，对应的水平孔径角为7.2°～5.9°(互作用长度l为25mm)，对应的竖直孔径角为9°～7.3°(互作用长度l为25mm)。

显然，采用新设计，入射e光和入射o光都获得了大孔径角，解决了只有一个入射光(入射e光或入射o光)获得大孔径角的难题。

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。