Способ изготовления акустооптического прибора
METHOD FOR MANUFACTURING OF ACOUSTO-OPTIC DEVICE

Область техники
Изобретение относится к способам изготовления акустооптических приборов. В частном случае данный способ может быть применен для изготовления модуляторов на основе монокристалла парателлурита, многоканальных модуляторов, дефлекторов, перестраиваемых фильтров, дисперсионных линий задержки, процессоров и других устройств, действие которых основано на взаимодействии света и ультразвуковых волн.
Уровень техники
2
2
2
Наиболее близким (прототипом) является способ изготовления акустооптических модуляторов (патент РФ №2461097, опубл. 10.09.2012 г.). Способ изготовления акустооптических модуляторов состоит в том, что изготавливают звукопровод в виде прямоугольной призмы. Далее наносят вакуумным напылением оптически просветляющие покрытия на грани прямоугольной призмы. Далее наносят вакуумным напылением на одну из граней прямоугольной призмы первый адгезионный слой. Далее наносят вакуумным напылением на указанный первый адгезионный слой первый слой золота. Далее наносят вакуумным напылением на указанный первый слой золота первый слой индия. Кроме того, наносят вакуумным напылением на одну из больших граней каждой из двух пластин из ниобата лития (Y+36°)-среза второй адгезионный слой. Далее наносят вакуумным напылением на указанный второй адгезионный слой второй слой золота. Далее наносят вакуумным напылением на указанный второй слой золота второй слой индия. Далее осуществляют соединение звукопровода с пластинами ниобата лития путем прижатия пластин из ниобата лития с давлением каждой пластины из ниобата лития вторым слоем индия к соответствующему первому слою индия. Далее сошлифовывают каждую из пластин из ниобата лития до необходимой толщины, соответствующей рабочему диапазону частот. Далее наносят вакуумным напылением на каждую свободную большую грань каждой из пластин из ниобата лития третий адгезионный слой. Далее наносят вакуумным напылением на указанный третий адгезионный слой третий слой золота. Выбирают в качестве материала звукопровода монокристалл TeO. При этом грани прямоугольной призмы ориентируют перпендикулярно кристаллографическим направлениям [001], , [110]. Нанесение оптически просветляющих покрытий осуществляют на грани прямоугольной призмы, перпендикулярные кристаллографическому направлению . В процессе присоединения пластин из ниобата лития к звукопроводу ориентируют проекции полярных осей пластин из ниобата лития на сами эти пластины из ниобата лития в противоположные друг другу стороны. Нанесение первого адгезионного слоя осуществляют на одну из граней прямоугольной призмы (001). Изготовление первого адгезионного слоя, второго адгезионного слоя и третьего адгезионного слоя осуществляют из хрома. Выбирают указанное давление из интервала 50-100 кг/см, по крайней мере в течение части времени, в течение которого осуществляют прижатие пластин из ниобата лития к звукопроводу. Образованную заготовку в виде звукопровода с просветляющими покрытиями, последовательно расположенными на звукопроводе первым адгезионным слоем, первым слоем золота, первым слоем индия и последовательно расположенными вторым слоем индия, вторым слоем золота, вторым адгезионным слоем одной пластины ниобата лития и самой этой пластины из ниобата лития, а также рядом с ней расположенными последовательно вторым слоем индия, вторым слоем золота, вторым адгезионным слоем другой пластины ниобата лития и самой этой пластины из ниобата лития, а также расположенными на каждой из указанных пластин из ниобата лития третьим адгезионным слоем, третьим слоем золота разрезают на отдельные элементы параллельно плоскостям (110) монокристалла ТеО.
Недостатком прототипа является то, что индий наносится одновременно как на первый слой золота прямоугольной призмы, так и на второй слой золота пластины ниобата лития. Поскольку размеры призмы обычно больше соединяемой с ней пластины ниобата лития, на соответствующей поверхности призмы, после соединения наличествующий слой индия, сильно затрудняет автоматизированное подсоединение электрических проводников при сборке прибора. Слой индия между звукопроводом и пьезопластиной вносит потери акустических волн, излучаемых пьезопреобразователем, что ограничивает рабочие частоты акустооптических приборов уровнем порядка 1 ГГц. Вышеизложенное затрудняет электрическое согласование, усложняет конструкцию приборов, снижает его надежность, снижает производительность процесса серийного производства и сужает область их применений.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности подсоединения электрических проводников к акустооптическому прибору, эффективности и широкополосности АО приборов за счет снижения электрических и акустических потерь при одновременном значительном повышении технологичности автоматизированной сборки приборов, что важно при серийном выпуске.
2
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе изготовления акустооптического прибора, состоящем в том, что используют звукопровод с первой акустической гранью и двумя оптическими гранями, пьезопластину со второй акустической гранью и электрические проводники, причем выбирают протяженность первой акустической грани по крайней мере в одном направлении больше, чем один из размеров второй акустической грани, далее наносят вакуумным напылением оптически просветляющие покрытия на оптические грани звукопровода, наносят вакуумным напылением на первую акустическую грань звукопровода первый адгезионный слой, далее наносят вакуумным напылением на указанный первый адгезионный слой первый слой золота, наносят вакуумным напылением на указанную вторую акустическую грань пьезопластины второй адгезионный слой, далее наносят вакуумным напылением на указанный второй адгезионный слой второй слой золота, далее наносят вакуумным напылением на указанный второй слой золота слой индия, далее накладывают пьезопластину слоем индия на первый слой золота, далее сжимают пьезопластину со звукопроводом, далее истончают пьезопластину до толщины, соответствующей рабочему диапазону частот, с образованием третьей акустической грани, далее наносят вакуумным напылением на третью акустическую грань пьезопластины третий адгезионный слой, далее наносят вакуумным напылением на указанный третий адгезионный слой третий слой золота, используют электрические проводники, поверхностный слой которых выполнен из золота, подсоединяют посредством ультразвуковой сварки один из указанных электрических проводников к первому слою золота, а другой из указанных электрических проводников подсоединяют посредством ультразвуковой сварки к третьему слою золота, в частном случае первый адгезионный слой, второй адгезионный слой и третий адгезионный слой выполняют из хрома, в другом частном случаев качестве материала звукопровода выбран монокристалл парателлурита (ТеО), в третьем частном случае в качестве материала звукопровода выбран фтористый магний, в четвертом частном случаев качестве материала звукопровода выбран фтористый кальций, в пятом частном случаев качестве материала звукопровода выбран кальцид, в шестом частном случаев качестве материала звукопровода выбран кварц, в седьмом частном случаев качестве материала звукопровода выбран монокристалл группы редкоземельных вольфраматов, в восьмом частном случаев качестве материала звукопровода выбран ниобат лития, в девятом частном случаев качестве материала звукопровода выбран арсенид галлия, в десятом частном случаев качестве материала звукопровода выбран германий, в одиннадцатом частном случае пьезопластина выполнена из ниобата лития, в двенадцатом частном случае пьезопластина выполнена танталата лития, в тринадцатом частном случае звукопровод выполнен из материала ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и террагерцового диапазонов длин волн.
Краткое описание чертежей
Реализация изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-3), где на фиг. 1 схематично показан вид акустооптического прибора, изготавливаемого по данному способу, на фиг. 2 схематично показан процесс изготовления акустического прибора, на фиг. 3 схематично показан вариант нарезки заготовки на отдельные акустооптические приборы.
На чертеже обозначены: звукопровод 1, первый электрод 2, пьезопластина 3, второй электрод 4, вакуумный пресс 5, второй слой золота 6, второй адгезионный слой 7, слой индия 8, испаритель 9, первый слой золота 10, первый адгезионный слой 11, вакуумная камера 12, оптически просветляющее покрытие 13, зона приварки электрических проводников 14, линия разреза 15.
Раскрытие изобретения
Для раскрытия способа изготовления акустооптического прибора (далее именуемого способ) приведено описание акустооптического прибора, получаемого данным способом.
Основными элементами акустооптического прибора, изготавливаемого данным способом, являются звукопровод 1 с оптически просветляющим покрытием 13, пьезопластина 3, первый электрод 2, второй электрод 4 и два электрических проводника.
2
Звукопровод 1 представляет собой элемент конструкции акустоэлектронного изделия, в котором возбуждаются, распространяются и преобразуются акустические волны. В частном случае преобразование акустических волн происходит на световых волнах, таким образом, звукопровод 1 представляет собой светозвукопровод. Звукопровод 1 изготавливают из акустооптического материала на основе различных кристаллов, используемых в акустооптике. В качестве материала звукопровода 1 могут быть использованы: монокристалл парателлурита (ТеО) фтористый магний, фтористый кальций, кальцид, кварц, монокристаллы группы редкоземельных вольфраматов, ниобат лития, арсенид галлия, германий, и другие материалы ультрафиолетового, видимого, инфракрасного и террагерцового диапазонов длин волн. Звукопровод 1 выполнен в виде призмы, в частном случае в виде прямоугольной призмы. Возможно выполнение звукопровода 1 в виде непрямоугольной призмы. В частном случае грани прямоугольной призмы могут быть ориентированы перпендикулярно кристаллографическим направлениям [001], , [110] с точностью не хуже одной угловой минуты. При этом возможно выполнения другой ориентации граней звукопровода 1 относительно кристаллографических осей. Звукопровод 1 снабжен первой акустической гранью и двумя оптическими гранями. Оптические грани расположены противоположно друг другу с обеспечением входа светового луча в звукопровод 1 и выхода светового луча из него. Оптические грани и акустические грани (первая акустическая грань, вторая акустическая грань и третья акустическая грань) выполнены с соблюдением классов чистоты поверхности, необходимых для данной области техники.
Оптически просветляющее покрытие 13 выполнено с обеспечением снижения отражения света от оптической поверхности. Оптически просветляющее покрытие 13 расположено на оптических гранях звукопровода 1. В частном случае, при выполнении звукопровода 1 в виде прямоугольной призмы, оптически просветляющие покрытия могут быть нанесены на грани, перпендикулярные кристаллографическому направлению . Оптически просветляющее покрытие 13 может быть выполнено как интерференционное тонкослойное покрытие, соизмеримое по толщине с длиной световых волн. Показатель преломления оптически просветляющего покрытия 13 отличается от показателя преломления материала звукопровода 1. Толщина оптически просветляющего покрытия 13 и его показатель преломления выбирают с обеспечением снижения коэффициента отражения до минимально возможного значения для одной или нескольких, в случае многослойных покрытий, длин волн света. В качестве материала оптически просветляющего покрытия 13 может быть применен, например, оксид или фторид магния.
Пьезопластина 3 обеспечивает возможность преобразования звукового сигнала, полученного из звукопровода 1, в электрическое напряжение, или наоборот. Пьезопластина 3выполнена обычным образом для данного вида устройств. В частном случае пьезопластина 3 может быть выполнена из ниобата лития (Y+36°)-среза толщиной 0,5-1 мм, танталата лития или другого пьезоэлетрического материала. Толщина пьезопластины 3 должна соответствовать рабочему диапазону частот. Возможно уменьшение толщины пьезопластины 3 шлифовкой, полировкой, или ионным травлением, так как толщина, например, пластин из ниобата лития 3 (Y+36°)-среза, возбуждающих продольные акустические волны, для центральных рабочих частот порядка 1ГГц должна составлять порядка 3 мкм, а используемых в пьезопреобразователях акустооптических устройств на частотах порядка десятков-сотен мегагерц, составляет десятки-единицы микрон. Одна из больших поверхностей пьезопластины 3 представляет собой вторую акустическую грань, выполненную с соблюдением класса чистоты поверхности для данного вида устройств. Третья акустическая поверхность расположена противоположно второй акустической поверхности и образована после истончения пьезопластины 3 с соблюдением класса чистоты поверхности для данного вида устройств. На второй акустической грани и третьей акустической грани размещены соответственно первый электрод 2 и второй электрод 4, подсоединяемые к внешним элементам, например, электрическим проводникам.
Первый электрод 2 представляет собой совокупность слоев, образованную из последовательно расположенных первого адгезионного слоя 11, первого слоя золота 10, слоя индия 8, второго слоя золота 6, второго адгезионного слоя 7.
Первый адгезионный слой 11 выполнен с обеспечением возможности повышения сцепления между первым слоем золота 10 и материалом звукопровода 1. Первый адгезионный слой 11 расположен на первой акустической грани. В частном случае первый адгезионный слой 11 выполнен из хрома.
Первый слой золота 10 представляет собой тонкое напыление из золота, нанесенное, например, магнетронным напылением.
Слой индия 8 представляет собой тонкое напыление из индия, нанесенное, например, магнетронным напылением.
Второй слой золота 6 представляет собой тонкое напыление из золота, нанесенное, например, магнетронным напылением.
Второй адгезионный слой 7 выполнен с обеспечением возможности повышения сцепления между вторым слоем золота 6 и материалом пьезопластины 3. Второй адгезионный слой 7 расположен на второй акустической грани. В частном случае второй адгезионный слой 7 выполнен из хрома.
Второй электрод 4 представляет собой совокупность слоев, образованную третьим адгезионным слоем и третьим слоем золота.
Третий адгезионный слой выполнен с обеспечением возможности повышения сцепления между третьим слоем золота и материалом пьезопластины 3. Третий адгезионный слой расположен на третьей акустической грани. В частном случае третий адгезионный слой выполнен из хрома.
Третий слой золота представляет собой тонкое напыление из золота, нанесенное, например, магнетронным напылением.
Осуществление изобретения
В случае использования указанных выше элементов и средств, изобретение реализуется следующим образом.
Способ изготовления акустооптического прибора содержит нижеописанную последовательность операций. При этом для реализации данного способа используют звукопровод 1 с первой акустической гранью и двумя оптическими гранями, пьезопластину 3 со второй акустической гранью и электрические проводники. Для реализации способа может быть использован готовый звукопровод 1 или его заготовка, на которой формируют первую акустическую грань и оптические грани. Для реализации способа может быть использована готовая пьезопластина 3 или ее заготовка, на которой формируют вторую акустическую грань. Формирование первой акустической грани, второй акустической грани и оптических граней необходимой чистоты поверхности производят, например, путем, шлифовки или химического травления.
Причем выбирают протяженность первой акустической грани по крайней мере в одном направлении больше, чем один из размеров второй акустической грани. Соотношение соответствующих размеров первой акустической грани и второй акустической грани выбирают с обеспечением возможности формирования выступающего участка звукопровода 1 (зона приварки электрических проводников 14, показанная на фиг. 3) после его соединения с пьезопластиной 3.
Звукопровод 1 и пьезопластину 3 помещают в вакуумную камеру 12.
Далее наносят вакуумным напылением оптически просветляющие покрытия на оптические грани звукопровода 1.
Далее наносят вакуумным напылением на первую акустическую грань звукопровода первый адгезионный слой 11.
Также наносят вакуумным напылением на указанную вторую акустическую грань пьезопластины второй адгезионный слой 7. Возможно, в частном случае, одновременное напыление первого адгезионного слоя 11 на первую акустическую поверхность и второго адгезионного слоя 7 на вторую акустическую поверхность посредством магнетронного напыления в течение отдельного вакуумного процесса.
Далее наносят вакуумным напылением на указанный первый адгезионный слой 11 первый слой золота 10.
Также наносят вакуумным напылением на указанный второй адгезионный слой 7 второй слой золота 6. Возможно, в частном случае, одновременное напыление первого слоя золота 10 на первый адгезионный слой 11 и второго слоя золота 6 на второй адгезионный слой 7 посредством магнетронного напыления в течение отдельного вакуумного процесса.
Далее наносят вакуумным напылением на указанный второй слой золота 6 слой индия 8 с помощью испарителя 9.
2
Далее накладывают пьезопластину 3 слоем индия 8 на первый слой золота 10. Сжимают пьезопластину 3 со звукопроводом 1. Прижатие осуществляют с давлением 50-100 кг/см при помощи вакуумного пресса 5, размещенного в вакуумной камере 12.
Далее истончают пьезопластину 3 до толщины, соответствующей рабочему диапазону частот, с образованием третьей акустической грани. Истончают пьезопластину 3 любым известным способом, применимым для данной области техники. Возможно уменьшение толщины пьезопластин 3, например, из ниобата лития 3 шлифовкой, полировкой, или ионным травлением, так как толщина пластин из ниобата лития 3 (Y+36°)-среза, возбуждающих продольные акустические волны, для центральных рабочих частот порядка 1ГГц должна составлять порядка 3 мкм, а используемых в пьезопреобразователях акустооптических устройств на частотах порядка десятков-сотен мегагерц, составляет десятки-единицы микрон.
Далее наносят вакуумным напылением на третью акустическую грань пьезопластины 3 третий адгезионный слой.
Далее наносят вакуумным напылением на указанный третий адгезионный слой третий слой золота.
Звукопровод 1, соединенный с пьезопластиной 3 с первыми электродом 2 и вторыми электродом 4, при изготовлении групповой партии акустооптических элементов разрезают на отдельные элементы по линиям разреза, как показано фиг. 3.
В полученном акустическом приборе, сформированном указанным способом, первый электрод 2 и второй электрод 4 – покрыты слоем золота (соответственно первый слой золота 10 в зоне приварки электрических проводников 14 и третий слой золота). Данная особенность позволяет в дальнейшей сборке прибора проводить автоматизированную приварку соединений (электрических проводников), служащих для подвода электрического напряжения к пьезопластине 3.
Используют электрические проводники, поверхностный слой которых выполнен из золота. Подсоединяют посредством ультразвуковой сварки один из указанных электрических проводников к первому слою золота 10 в зоне приварки электрических проводников 14. Другой из указанных электрических проводников подсоединяют посредством ультразвуковой сварки к третьему слою золота. Согласно определению, приведенному в Википедии на сайте https://ru.wikipedia.org/wiki/Ультразвуковая_сварка, дата обращения 24.07.2020 г. ультразвуковая сварка - сварка, источником энергии при которой являются ультразвуковые колебания. Ультразвуковая сварка осуществляется при помощи непрерывно генерируемого ультразвука частотой 18-180 кГц, мощностью 0,01-10 кВт. Сварка происходит при одновременном воздействии на свариваемые поверхности механических высокочастотных колебаний, внешнего давления, прикладываемого перпендикулярно к свариваемым поверхностям и теплового эффекта от высокочастотных колебаний. В частном случае возможно осуществление приварки электрических проводников вручную.
Выполнение слоя индия 8 только на втором слое золота 6 пьезопластины 3 позволяет избежать наличия индия в составе первого слоя золота 10 в зоне приварки электрических проводников 14. Таким образом повышается надежность крепления электрических проводников к первому электроду 2 (первому слою золота 10). Также данная особенность способа позволяет сократить толщину слоя индия 8 между звукопроводом 1 и пьезопластиной 3, в сравнении с прототипом, где слой индия состоит из первого слоя индия и второго слоя индия.
Таким образом, выполнение устройства описанным выше образом обеспечивает повышение надежности, эффективности и широкополосности АО приборов за счет снижения электрических и акустических потерь при одновременном значительном повышении технологичности автоматизированной сборки приборов, что важно при их серийном выпуске.