[发明专利]采用各向异性热电材料的激光电源传感器

说明书

一种激光辐射传感器包括铜衬底，其上生长了定向的多晶缓冲层，多晶缓冲层上是各向异性横向热电材料的定向的多晶传感器元件。与传感器元件热连接的吸收层被激光辐射加热以被测量并且将热交换至传感器元件，从而导致传感器元件上的热梯度。与传感器元件电接触的隔开的电极感测与热梯度相对应的电压，作为入射激光辐射功率的测量结果。至少两个保护层被布置在传感器层和吸收层之间。

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年7月17日提交的美国专利申请No.13/944,835的优先权，所述专利申请的全部公开在此通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体涉及激光辐射检测器。本发明具体涉及采用横向热电效应的激光辐射检测器。

背景技术

激光辐射检测器(传感器)被用于激光器应用中，其中需要测量或者监测激光辐射功率。功率测量可简单地通过记录-保持来获取或者作为一些闭合回路控制装置的一部分。常用的辐射检测器基于光电二极管或热电堆。

基于光电二极管的传感器通过将被测量的辐射的光子能转换成光电二极管中的电子-空穴对从而产生相应的电流来检测激光辐射，这被用作激光辐射功率的测量。光电二极管传感器具有相对快的时间响应，其中上升时间通常小于1微秒(μs)。光电二极管检测器的缺点在于受限的频率响应。该频率响应由用于形成光电二极管的具体半导体材料确定。举例来说，基于硅的光电二极管传感器具有介于大约0.2微米(μm)和大约2.0μm之间的光谱接受带宽。光电二极管的第二个限制是相对低的光学功率饱和。光电二极管通常受限为小于大约100毫瓦(mW)的激光功率的直接测量。

热电堆传感器包括吸收辐射的固体元件，从而使得该元件加热。与该元件接触的一个或多个热电偶产生表示入射在该元件上的激光辐射功率的电流或电压。热电堆传感器具有相对于光电二极管检测器较慢的响应时间。该响应时间取决于传感器元件的尺寸。举例来说，具有19毫米(mm)和200mm的孔的放射式热电堆的响应时间分别大约为1秒和30秒。热电堆传感器的频率响应取决于传感器的吸收频谱。通过对传感器适当选择和配置，频率响应可从紫外(UV)波长扩展至远红外波长。利用适当的热沉，热电堆传感器可测量高达10千瓦(kW)的激光功率。

一种相对新的检测器类型已经被提出来用于提供可与光电二极管检测器比拟的时间响应以及可与热电堆检测器比拟的频率响应，该新的检测器类型基于使用一层各向异性横向热电材料作为检测器元件。通过以定向的多晶结晶形式生长材料来形成这种各向异性层，其中晶体以不与该层的平面正交的方式倾斜。

各向异性层吸收将被测量的辐射从而加热该层。这就产生了与该层垂直的方向上的通过各向异性材料的热梯度。该热梯度继而又产生了与该热梯度正交的电场。该电场正比于被吸收的入射辐射的强度。这种检测器可被称为横向热电效应检测器。如果各向异性层做得足够薄，例如仅仅几微米厚，则检测器的响应时间将能够与光电二极管检测器的响应时间的相比拟。频率响应仅仅受限于各向异性材料的吸光率。缺点在于，横向热电效应相对于光电二极管的响应较弱。

授权给Takahashi等人的美国专利No.8,129,689(以下称为Takahashi)中描述了一种横向热电效应检测器。Takahashi试图通过提供在透明结晶衬底的相对侧上生长的第一和第二各向异性材料层来转移横向热电效应的弱点。在Takahashi检测器中，未被各向异性材料的第一层吸收的辐射很可能被第二层吸收。提出可将反射涂层添加至第二层以反射第二层未吸收的任意辐射，从而得到通过两层的第二通道。