專利名稱：變周期聲學(xué)超晶格及超高頻寬帶聲光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超高頻寬帶聲光器件的制作。
聲光器件可以對(duì)激光束的頻率，方向和強(qiáng)度等各種特性進(jìn)行快速而有效的控制，因此被廣泛用于聲光調(diào)頻，激光鎖模和光訊號(hào)處理等領(lǐng)域中。其中體波聲光器件適用于諸如激光顯示和激光記錄等需要強(qiáng)激光或需要激光束能量有較大利用率的場(chǎng)合。為了滿足體波聲光器件對(duì)可分辨點(diǎn)數(shù)和帶寬的要求，超聲波的頻率應(yīng)處于100MHz至數(shù)千兆之間，低于100MHz，不能滿足上述要求，而頻率過(guò)高，則由于聲光互作用介質(zhì)的聲衰減太大而無(wú)法實(shí)用化。體波聲光器件的關(guān)鍵是壓電換能器。目前國(guó)內(nèi)外制備體波超高頻聲光器件均采用單片壓電換能器，因片厚極薄，加工困難，且換能效率不高。
本發(fā)明的目的是用變周期聲學(xué)超晶格材料制作換能效率高和工作頻率高的聲光器件，可大幅度增加帶寬，并可通過(guò)變周期的設(shè)計(jì)而得到所需的帶寬。
變周期聲學(xué)超晶格聲光器件的工作原理大致如下通過(guò)導(dǎo)電電極給變周期聲學(xué)超晶格加上一交變外電場(chǎng)，由于超晶格是壓電材料，這一外電場(chǎng)將在超晶格內(nèi)激發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波傳入聲光互作用介質(zhì)后，則與激光束發(fā)生相互作用，使激光束發(fā)生衍射，衍射光偏轉(zhuǎn)角的大小與超聲波的頻率成正比，衍射光的強(qiáng)度與超聲波的強(qiáng)度成正比，因此通過(guò)改變超聲波的頻率可獲得不同方向的衍射光，通過(guò)改變超聲波的強(qiáng)度可調(diào)制衍射光的強(qiáng)度。
變周期聲學(xué)超晶格是指層厚逐漸變化的聲學(xué)超晶格，包括用直拉法(Czochralski)制備的具有變周期180度疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的鐵電單晶體(如LiNbO3，LiTaO3，Ba2NaNb5O15等)，和用MOCVD，PLD(Pulsed Laser Deposition)方法制備的多層復(fù)合材料，具體方法是選擇壓電材料，如LiNbO3，LiTaO3，PbTiO3，Li2B4O7，石英，ZnO，PZT，PLZT，Bi12GeO20，Bi4Ti3O12等，和非壓電材料，如MgO，TiO2，SrTiO3，Al2O3等，在合適的襯底材料上通過(guò)控制每一層的生長(zhǎng)時(shí)間，生長(zhǎng)出二組元或多組元的變周期聲學(xué)超晶格;也可用任意二種或多種壓電常數(shù)不同的材料生長(zhǎng)，譬如用MOCVD或PLD法交替生長(zhǎng)壓電材料LiNbO3和非壓電材料MgO即可制成聲學(xué)超晶格。變周期聲學(xué)超晶格的層數(shù)可為數(shù)層至數(shù)百層，層的厚度可在亞微米(零點(diǎn)幾微米)至數(shù)十微米的范圍內(nèi)選擇。
以變周期聲學(xué)超晶格作壓電換能器，以氧化碲，鉬酸鉛，石英，單疇LiNbO3或Al2O3等作聲光互作用介質(zhì)，用銦冷壓焊，超聲焊等方法將兩者鍵合起來(lái)即制成聲光器件。或是在上述聲光互作用介質(zhì)上先生長(zhǎng)一導(dǎo)電電極層(包括Au，Ag，Al等金屬或?qū)щ娞沾?，如La0.5Sr0.5CoO3等)，再生長(zhǎng)變周期聲學(xué)超晶格，最后再生長(zhǎng)一層導(dǎo)電電極層。
與單片換能器相比，變周期聲學(xué)超晶格具有如下特點(diǎn)一是工作頻率高(頻率與層厚成反比，層越薄，頻率越高)，二是換能效率高(周期聲學(xué)超晶格的換能效率與層數(shù)的平方成正比，變周期聲學(xué)超晶格的換能效率小于周期聲學(xué)超晶格，但遠(yuǎn)大于單片換能器)，三是可獲得很大的帶寬，且加工較易。
以下結(jié)合附圖
和通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明圖一為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用示意圖。壓電材料(或正疇)1與非壓電材料(或負(fù)疇)2相間，層數(shù)在幾到幾百之間，層厚在微米量級(jí)，在超晶格材料的兩端均生長(zhǎng)或鍍有電極3。電極上外加高頻電壓(頻率范圍在幾百兆到數(shù)千兆，電壓幅度為幾伏至數(shù)十伏)，傳入聲光互作用介質(zhì)4的超聲波5可以使入射激光6發(fā)生衍射7。
以下實(shí)施例所用壓電，非壓電材料均在上述范圍選擇，聲光互作用介質(zhì)材料也是如此。
(1)正常布拉格衍射器件超聲波為縱波模式(例如用C軸取向的LiNbO3變周期聲學(xué)超晶格作壓電換能器可滿足此要求)。周期為幾微米到十幾微米的變周期聲學(xué)超晶格可激發(fā)幾百兆至1-2千兆的縱波超聲波。
(2)反常布拉格衍射器件超聲波為切變波模式(例如用A軸取向的LiNbO3變周期聲學(xué)超晶格作壓電換能器可滿足此要求)。周期為幾微米到十幾微米的變周期聲學(xué)超晶格可激發(fā)幾百兆至1-2千兆的切變波超聲波。
(3)寬帶布拉格衍射器件例如用層厚從9微米變化至40微米的變周期聲學(xué)晶格作換能器，層數(shù)在30左右，其帶寬可達(dá)600MHz左右。
權(quán)利要求
1.一種聲學(xué)超晶格材料制成的超高頻聲光器件，其特征是用直拉法制備的具有180度疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的鐵電單晶體和用MOCVD，PLD方法制備的壓電材料和非壓電材料或多種壓電系數(shù)不同的壓電材料交替迭合的多層復(fù)合材料與聲光互作用介質(zhì)以銦冷壓焊或超聲焊等方法鍵合而成，在超晶格材料的兩面均鍍有或生長(zhǎng)有導(dǎo)電電極。
2.由權(quán)利1所述的超高頻聲光器件其特征是在聲光互作用介質(zhì)材料上直接生長(zhǎng)電極，再生長(zhǎng)聲學(xué)超晶格材料或是直接利用直拉法制備的具有180度疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的鐵電單晶體，在鍍上電極后和聲光互作用介質(zhì)材料鍵合而成。
3.由權(quán)利1，2所述的超高頻聲光器件其特征是聲光互作用介質(zhì)材料在下列材料中選擇氧化碲，鉬酸鉛，石英，單疇LiNbO3或Al2O3等。壓電材料為L(zhǎng)iNbO3，LiTaO3，PbTiO3，Li2B4O7，石英，ZnO，PZT，PLZT，Bi12GeO20，Bi4Ti3O12等，非壓電材料為MgO，TiO2，SrTiO3，Al2O3等。變周期聲學(xué)超晶格的層數(shù)可為數(shù)層至數(shù)百層，層的厚度可在亞微米(零點(diǎn)幾微米)至數(shù)十微米的范圍內(nèi)選擇。
全文摘要
一種聲學(xué)超晶格材料制成的超高頻聲光器件，其特征是用直拉法制備的具有180度疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的鐵電單晶體和用MOCVD，PLD方法制備的壓電材料和非壓電材料或多種壓電系數(shù)不同的壓電材料交替迭合的多層復(fù)合材料與聲光互作用介質(zhì)以銦冷壓焊或超聲焊等方法鍵合而成，在超晶格材料的兩面均鍍有或生長(zhǎng)有導(dǎo)電電極。
文檔編號(hào)H01L41/00GK1106582SQ9410160
公開日1995年8月9日 申請(qǐng)日期1994年2月2日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月2日
發(fā)明者閔乃本, 朱永元, 程士德, 陳延峰, 劉治國(guó), 劉俊明 申請(qǐng)人:南京大學(xué)