[發(fā)明專利]采用各向異性熱電材料的激光電源傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380051638.1
• 申請日: 2013-09-27
• 公開（公告）號: CN104884918B
• 公開（公告）日: 2018-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: R·塞梅拉德;E·克勞斯;J·施洛斯
• 申請（專利權(quán)）人: 相干公司
• 主分類號: G01J5/12
• 分類號: G01J5/12;G01K17/00
• 代理公司: 余姚德盛專利代理事務(wù)所(普通合伙)33239
• 代理人: 鄭洪成

相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求2013年7月17日提交的美國專利申請No.13/944,830以及2012年10月2日提交的美國臨時專利申請No.61/709,060的優(yōu)先權(quán)，所述專利申請的全部公開在此通過引用并入本文。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明總體涉及激光輻射檢測器。本發(fā)明具體涉及采用橫向熱電效應(yīng)的激光輻射檢測器。

背景技術(shù)

激光輻射檢測器(傳感器)被用于激光器應(yīng)用中，其中需要測量或者監(jiān)測激光輻射功率。功率測量可簡單地通過記錄-保持來獲取或者作為一些閉合回路控制裝置的一部分。常用的輻射檢測器基于光電二極管或熱電堆。

基于光電二極管的傳感器通過將被測量的輻射的光子能轉(zhuǎn)換成光電二極管中的電子-空穴對從而產(chǎn)生相應(yīng)的電流來檢測激光輻射，這被用作激光輻射功率的測量。光電二極管傳感器具有相對快的時間響應(yīng)，其中上升時間通常小于1微秒(μs)。光電二極管檢測器的缺點在于受限的頻率響應(yīng)。該頻率響應(yīng)由用于形成光電二極管的具體半導體材料確定。舉例來說，基于硅的光電二極管傳感器具有介于大約0.2微米(μm)和大約2.0μm之間的光譜接受帶寬。光電二極管的第二個限制是相對低的光學功率飽和。光電二極管通常受限為小于100毫瓦(mW)的激光功率的直接測量。

熱電堆傳感器包括吸收輻射的固體元件，從而使得該元件加熱。與該元件接觸的一個或多個熱電偶產(chǎn)生表示入射在該元件上的激光輻射功率的電流或電壓。熱電堆傳感器具有相對于光電二極管檢測器較慢的響應(yīng)時間。該響應(yīng)時間取決于傳感器元件的尺寸。舉例來說，具有19毫米(mm)和200mm的孔的放射式熱電堆的響應(yīng)時間分別大約為1秒和30秒。熱電堆傳感器的頻率響應(yīng)取決于傳感器的吸收頻譜。通過對傳感器適當選擇和配置，頻率響應(yīng)可從紫外(UV)波長擴展至遠紅外波長。利用足夠的熱沉，熱電堆傳感器可測量高達大約10千瓦(kW)的激光功率。

一種相對新的檢測器類型已經(jīng)被提出來用于提供可與光電二極管檢測器比擬的時間響應(yīng)以及可與熱電堆檢測器比擬的頻率響應(yīng)，該新的檢測器類型基于使用一層各向異性橫向熱電材料作為檢測器元件。通過以定向的多晶結(jié)晶形式生長材料來形成這種各向異性層，其中晶體以不與該層的平面正交的方式傾斜。

各向異性層吸收將被測量的輻射從而加熱該層。這就產(chǎn)生了與該層垂直的方向上的通過各向異性材料的熱梯度。該熱梯度繼而又產(chǎn)生了與該熱梯度正交的電場。該電場正比于被吸收的入射輻射的強度。這種檢測器可被稱為橫向熱電效應(yīng)檢測器。如果各向異性層做得足夠薄，例如僅僅幾微米厚，則檢測器的響應(yīng)時間將能夠與光電二極管檢測器的響應(yīng)時間的相比擬。頻率響應(yīng)僅僅受限于各向異性材料的吸光率。缺點在于，橫向熱電效應(yīng)相對于光電二極管的響應(yīng)較弱。

授權(quán)給Takahashi等人的美國專利No.8,129,689(以下稱為Takahashi)中描述了一種橫向熱電效應(yīng)檢測器。Takahashi試圖通過提供在透明結(jié)晶襯底的相對側(cè)上生長的第一和第二各向異性材料層來轉(zhuǎn)移橫向熱電效應(yīng)的弱點。在Takahashi檢測器中，未被各向異性材料的第一層吸收的輻射很可能被第二層吸收。提出可將反射涂層添加至第二層以反射第二層未吸收的任意輻射，從而得到通過兩層的第二通道。

可通過公知的傾斜襯底沉積(ISD)工藝來沉積定向的多晶層。在美國專利No.6,265,353和美國專利No.6,638,598中詳細描述了該工藝。還可通過(不那么多功能的)離子束輔助沉積(IBAD)工藝生長定向的多晶層。C.P.Wang等人在Applied Physics Letters(Vol71,20,pp2955,1997)上發(fā)表的論文“Deposition of in-plane textured MgO on amorphous Si3N4 substrates by ion-beam-assisted deposition and comparisons with ion-beam assisted deposited yttria-stabilized-zirconia”中提供了該工藝的一種說明。

上述Takahashi檢測器允許各向異性材料層保持較薄，同時增大吸收的光的量，但是要求兩側(cè)拋光的透明結(jié)晶襯底，其成本對大多數(shù)商業(yè)應(yīng)用來說很可能是不允許的。而且，Takashi檢測器結(jié)構(gòu)隔絕了結(jié)晶襯底，由此限制了使得襯底熱沉的能力。這就將檢測器的功率處理能力限制為小于大約10瓦(W)的最大功率，而且可能導致非線性的響應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容