[发明专利]电磁辐射探测器

说明书

描述了一种电磁辐射(RL)的探测器。探测器包括：一有取向的热电材料多晶层(2)，‑一衬底(1)，叠加在有取向的多晶层的顶表面上，使得背面(10)与有取向的多晶层接触，‑第一和第二电极，彼此隔开并与有取向的多晶层电接触。衬底包括至少一个陶瓷层，并且有取向的多晶层具有相对于衬底的顶表面的法线成30度至55度之间的角度的晶体取向。

本发明涉及一种电磁辐射探测器，特别是激光辐射探测器。

能够探测高能脉冲(即10^-3-10J)的激光辐射探测器主要由量热计、热电堆和热释电传感器表示。热电堆可进一步分为两类：径向和轴向设备。

量热计通过测量液体冷却剂的入口和出口之间的温差来测量目标表面上的入射功率。在所有上述类型的探测器中，这种探测器的响应时间最慢，即数十秒。

径向热电堆以热盘为代表，其中辐射目标盘包括以两个同心圆排列的热电偶阵列，这两个同心圆依次与盘同心。当通过入射在其上的激光辐射在盘中沿径向建立热梯度时，热电偶阵列产生代表入射激光辐射功率的电动势(e.m.f)或电压。此类热电堆的自然响应时间在大约1s至60s之间，具体数值取决于其设计。这种功率计的两个主要缺点是尺寸和响应时间。尺寸通常导致功率计头难以装配到用于功率测量的激光设备中。

因此，需要一种廉价的激光功率计头，其散热器比上述的现有技术的散热器小得多，但仍能够以较短的响应时间来测量功率相对较高的连续波(CW)激光。

轴向热电堆是类似帕尔贴(Peltier)的设备，采用多个电互连的热电偶设计，可以测量轴向穿过合适衬底的热通量。这种使用标准热电效应的传感器是普通径向热电堆的演进。与径向热电堆相比，这种类型的探测器可以更小。但是，此类传感器的热设计目前仅允许约为0.1到1s的自然响应时间。此外，多个轴向热电偶的设计通常意味着传感器有源区域的覆盖不足。

基于热释电效应的传感器将热梯度转换为电信号。即，由于热梯度引起的极化变化在晶体上产生电压。一方面，比起热电堆和量热计，它们结合了高灵敏度(可高达1000V/W)和可针对高能量脉冲和更高的重复频率(目前高达200kHz)进行量身定制的设计。然而，由于有源材料中的自然漏电流，热释电传感器当前有不能测量连续波(CW)激光辐射的局限性。实际上，热释电材料的工作原理基于对温度瞬态变化的响应，仅允许测量脉冲到准连续波脉冲，而不是纯连续波或长脉冲激光源。

使用横向热电效应的传感器定义了一种相对较新且类别不同的功率计，与前面讨论的类型相比，横向热电效应的传感器具有几个优点。

使用激光感生横向电压(LITV)效应的传感器也可以将热梯度转换为电信号。合适的材料(例如Bi、Bi₂Te₃、A1:ZnO、Sb)的薄膜以倾斜角沉积在蒸发源和衬底之间，已知该薄膜显示出对激光辐射的横向热电响应。即，如果沿垂直于膜表面的方向存在热梯度，则产生纵向于膜表面平面的热电响应。沿纵向平面可提取的所产生电信号的强度具有明确的方向，并且与生长在衬底上的薄膜有源材料的有一定角度晶粒的投影平行，在共面垂直方向上显示最小值。

LITV效应的采用具有本质的优势，即显示出良好的热信号到电压的转换效率，同时显示出纳秒级的响应时间。此外，该设备的制造由于需要较少的技术步骤而更可控制，因此价格更便宜，且步骤得以简化。与基于轴向布置的热电偶的设计相比，基于LITV的设备相对于标准热电设备的另一个优势是有源区域的均匀覆盖。

而且，基于LITV的传感器的有源区域在尺寸上没有限制，而有源膜的沉积的均匀性得以保持。同时，与具有相同有源区域的探测器相比，良好的设计可以大大减小有源感应区域周围的面积，从而实现横向尺寸小于径向热电堆的尺寸。