CN101510572B - 利用脉冲激光能量探测器探测脉冲激光能量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种脉冲激光能量探测器及其制作方法与应用，所述的脉冲激光能量探测器主要包括：光传感器，该光传感器包括一个利用ZnO/Si异质结材料制作的光传感器芯片、两个电极和两个输出端，其中所述光传感器芯片由ZnO膜层和Si基底构成，所述两个电极分别位于ZnO膜层和Si基底上，且两个电极分别连接两个输出端。本发明的脉冲激光能量探测器利用ZnO/Si异质结材料制作而成，单脉冲激光照射后直接产生双峰形状的电压信号，两峰位对应的时间之差与入射激光能量之间的函数关系明显，容易制作电子测量仪器，可以探测光能量。

Description

利用脉冲激光能量探测器探测脉冲激光能量的方法
技术领域
本发明涉及一种脉冲激光能量探测器及其制作方法与应用，特别涉及一种利用ZnO/Si异质结材料制作的脉冲激光能量探测器及其制作方法与应用。
背景技术
对于激光能量、功率、脉宽和波形的探测，不仅对激光器件的基础研究非常重要，而且在军事、国防、农业、资源开采、交通等方面也具有非常广泛的用途。激光探测器元件主要采用对激光有一定响应特性的半导体材料、常规化合物材料以及高分子复合材料等等支撑，其结构和原理也多种多样。目前人们已经研究发展了诸如热电、光电、热释电等各种类型的激光探测器，对新型探测器探索仍是研究的热点之一。
氧化锌(ZnO)是一种宽禁带半导体材料，其直接带宽为3.37eV。近年来，氧化锌在蓝光及紫外二极管和激光器方面的潜在用途引起了人们的极大兴趣。文献【1】Parmanand Sharma and Sreenivas K.，“Highly sensitiveultraviolet detector based on ZnO/LiNbO3 hybrid surface acoustic wave filter”，Appl.Phys.Lett.，Vol.83，Issue 17，id.3617(2003)；【2】W.Yang，S.S.Hullavarad，B.Nagaraj，I.Takeuchi，R.P.Sharma，T.Venkatesan，R.D.Vispute，and H.Shen，“Compositionally-tuned epitaxial cubic MgxZn1-xO on Si(100)fordeep ultraviolet photodetectors”，Appl.Phys.Lett.82，3424(2003)公开了可以用ZnO材料制作紫外光探测器。
迄今为止还没有发现用ZnO/Si异质结材料制作脉冲激光能量探测器的报道。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种新型的利用ZnO/Si异质结材料制作的脉冲激光能量探测器。
本发明的另一目的在于提供所述的脉冲激光能量探测器的制作方法。
本发明的另一目的在于提供所述的脉冲激光能量探测器的应用。
本发明的另一目的在于提供利用所述的探测器探测脉冲激光能量的方法。
一方面，本发明提供了一种脉冲激光能量探测器，其主要是利用ZnO/Si异质结材料制作，该探测器制作简单、价格低廉，具有广阔应用前景。
本发明提供的脉冲激光能量探测器，主要包括光传感器，该光传感器包括一个利用ZnO/Si异质结材料制作的光传感器芯片、两个电极和两个输出端，其中所述光传感器芯片由ZnO膜层和Si基底(衬底)构成，所述两个电极分别位于ZnO膜层和Si基底上，且两个电极分别连接两个输出端。
根据本发明的具体实施方案，所述脉冲激光能量探测器还可包括探测器外壳，该探测器外壳容纳所述光传感器并暴露光传感器的两个输出端。
根据本发明的具体实施方案，所述Si基底为单晶Si，厚度0.1微米～5毫米。所述ZnO膜层主要是作为光响应层，其厚度0.1纳米～10微米。
根据本发明的具体实施方案，所述电极的材料可以包括银、金、铂、铟、铝和金属性化合物等中的至少一种。所述电极可以为点状、线状、平面、条形或叉指形电极。所述点状电极的直径为0.1微米～10毫米；所述条形电极或叉指形电极的电极宽度为0.1微米～10毫米，电极间距为0.1微米～10毫米。更具体的电极材料选择、形状及设置尺寸等对于本领域技术人员而言在阅读本发明后可以参照所属领域的现有技术和常规操作进行。
另一方面，本发明还提供了一种制作所述脉冲激光能量探测器的方法，该方法包括步骤：
在Si基底的一面上形成ZnO膜层；可以用化学气相沉积设备、脉冲激光沉积设备、溅射设备或其它的薄膜沉积设备在Si基底上制备ZnO薄膜，具体步骤和操作条件可以参照所属领域的现有技术或常规方法进行；
在Si基底另一面上以及ZnO膜层上分别制作第一电极和第二电极；所述电极可以做成点状、线状、平面或叉指形电极；可以用银胶连接，或用铟直接焊接，也可以用真空镀膜、磁控溅射光刻和化学腐蚀等方法制备电极，具体步骤和操作条件可以参照所属领域的现有技术或常规方法进行；
形成两个输出端分别连接所述两个电极；例如，可采用电极引线的方式，电极引线的一端连接电极，另一端为输出端，具体步骤和操作条件也可以参照所属领域的现有技术或常规方法进行。
本发明的制作所述脉冲激光能量探测器的方法还可进一步包括将光传感器容纳于一探测器外壳中且使两个输出端暴露出外壳的步骤，具体步骤和操作条件也可以参照所属领域的现有技术或常规方法进行。
另一方面，本发明还提供了所述探测器的应用，特别是指其在探测脉冲激光能量中的应用。
发明人在研究中发现，在利用本发明的探测器探测脉冲激光时，单脉冲激光照射后直接产生双峰形状的电压信号，两峰位对应的时间之差与入射激光能量之间的函数关系明显。在此基础上，本发明还提供了利用所述的脉冲激光能量探测器探测脉冲激光能量的方法，其中，根据所探测脉冲激光(或待测能量的脉冲激光)照射所述探测器后产生的电压信号的双峰时间差确定光能量。
根据本发明的一更具体的实施方案，本发明提供的利用所述探测器探测脉冲激光能量的方法可包括步骤：
利用不同能量的脉冲激光照射所述探测器，确定所产生的电压信号的双峰时间差与光能量的函数关系；实际生产应用中，该步骤的操作也可由制作探测器的厂商完成，并将所确定的所述电压信号的双峰时间差与光能量的函数关系以公式或图表的形式标注在探测器产品本身、包装上或产品说明书中；
利用待测能量的脉冲激光照射所述探测器，确定所产生的电压信号的双峰时间差，并将该时间差与上述函数关系进行分析比较，从而确定该待测能量的脉冲激光的能量。
本发明的探测器探测脉冲激光能量是基于电压信号的双峰时间坐标之差与光能量的函数关系而进行，由于函数关系明显，比如线性关系(参见实施例1～4)，因此本发明的探测器容易制作成电子测量仪器。并且，由于本发明的脉冲激光能量探测器不是基于光伏或光电流与脉冲激光能量的关系制作的，因此，可测量的入射脉冲激光的能量范围比较宽，其所探测脉冲激光的能量范围可以为微焦(μJ)级到毫焦(mJ)级，例如0.01微焦至数百毫焦(通常小于900毫焦)。另外，本发明提供的探测器响应波段宽，可以探测波长在紫外至红外范围内的激光的能量。
综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明提供了利用ZnO/Si异质结材料制作的脉冲激光能量探测器，其制备方法简单、价格低廉。该探测器在单脉冲激光照射后直接产生双峰形状的电压信号，两峰位对应的时间之差与入射激光能量之间的函数关系明显，容易制作电子测量仪器。本发明提供的ZnO/Si异质结材料脉冲激光能量探测器可以探测紫外至红外激光的能量，可测量的入射脉冲激光的能量范围比较宽。本发明的探测器在军事、国防、科研、生产和生活等方面均有广泛的应用。
附图说明
图1是根据本发明的脉冲激光能量探测器的结构示意图；图中标号：1Si基底，2 ZnO薄膜，3 第一电极，4 第二电极，5 第一电极引线，6 第二电极引线，A、B 输出端；
图2是根据本发明实施例1的脉冲激光能量探测器的响应时间和光电压的关系曲线；
图3是根据本发明实施例1的脉冲激光能量探测器的双峰时间差和光能量的关系曲线；
图4是根据本发明实施例2的脉冲激光能量探测器的双峰时间差和光能量的关系曲线；
图5是根据本发明实施例3的脉冲激光能量探测器的双峰时间差和光能量的关系曲线；
图6是根据本发明实施例3的脉冲激光能量探测器的响应时间和光电压的关系曲线；以及
图7是根据本发明实施例4的脉冲激光能量探测器的双峰时间差和光能量的关系曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供一种脉冲激光能量探测器，请参见图1所示，本发明的脉冲激光能量探测器主要包括：一基底1，该基底1是Si单晶，厚度为5毫米；在基底1上生长有一层光响应层2，该光响底层2是ZnO薄膜，厚度0.1纳米。第一电极3和第二电极4分别设置在Si基底和ZnO薄膜上，第一电极引线5和第二电极引线6分别连接在第一电极3和第二电极4上，电极引线的另一端为输出端A、B，该组电极输出光生伏特电压信号。
本实施例的脉冲激光能量探测器的制作方法主要包括：用脉冲激光沉积的方法在Si单晶基底1上生长ZnO光响应层2；在Si单晶基底和ZnO薄膜上制备0.1微米宽的条形金膜为第一电极3和第二电极4；选用两根0.1毫米的铜丝做第一电极引线5和第二电极引线6，用铟把两根引线5和6的一端分别焊接在第一电极3和第二电极4上，这样一个条形电极探测器就制备完成。还可进一步把该探测器装入一个合金铝制作的探测器外壳内，把两根引线5和6的另一端连接在同轴电缆接头引出输出端，形成一个带外壳的条形电极脉冲激光能量探测器。
分别用不同脉冲能量、波长为1.064微米的脉冲激光(脉宽25皮秒)照射这个探测器，电极5、6间输出电压信号如图2所示，其中，不同脉冲能量的激光照射的电压信号均产生双峰t1、t2，且t2峰对应的电压值基本相同，双峰时间差(t1-t2)和光能量的关系曲线如图3所示。从图中可以看出，本实施例的探测器，单脉冲激光照射后直接产生双峰形状的电压信号，两峰位对应的时间之差与入射激光能量之间的函数关系明显，基本为线性关系。利用本实施例的探测器，可以根据入射脉冲激光照射后产生的电压信号的双峰时间差，确定入射脉冲激光能量。
实施例2
本实施例提供一种脉冲激光能量探测器，其结构及制作方法可参考图1所示。本实施例中，首先用激光分子束外延的方法在5毫米厚Si单晶基底1上生长ZnO光响应层2，光响应层2(ZnO薄膜)厚度为10微米；然后在Si单晶基底和ZnO薄膜上制备直径1微米的点状银膜为第一电极3和第二电极4，并选用两根0.01毫米的金丝做第一电极引线5和第二电极引线6，用银胶把两根引线5和6的一端分别焊接在第一电极3和第二电极4上，这样一个点状电极探测器就制备完成。还可进一步把该探测器装入一个合金铝制作的探测器外壳内，把两根引线5和6的另一端连接在同轴电缆接头引出输出端，形成一个带外壳的点状电极脉冲激光能量探测器。
分别用不同脉冲能量、波长为266纳米的脉冲激光(脉宽25皮秒)照射这个探测器件，电极5、6间输出电压信号与图2类似(产生双峰形状，t2峰对应的电压信号值基本相同)，双峰时间差与光能量的关系曲线请参见图4所示。从图中可以看出，本实施例的探测器，脉冲激光照射后产生的电压信号的双峰时间差与入射激光能量基本为线性关系，函数关系明显。利用本实施例的探测器，可以根据入射脉冲激光照射后产生的电压信号的双峰时间差，确定入射脉冲激光能量。
实施例3
本实施例的探测器，同实施例1相比，其中是在制作完光响应层2后把Si单晶基底减薄为0.1微米；其它结构与制作方法同实施例1。
分别用不同脉冲能量、波长为1.064微米的脉冲激光(脉宽25皮秒)照射这个探测器，电极5、6间输出电压信号产生双峰，双峰时间差与光能量的关系曲线如图5所示。从图中可以看出，本实施例的探测器，脉冲激光照射后产生的电压信号的双峰时间差与入射激光能量之间的函数关系明显，基本为线性关系。
本实施例中，还用0.047mJ的波长为1.064微米的脉冲激光(脉宽25皮秒)照射了本实施例的探测器，其响应时间和光电压的关系曲线请参见图6所示，将该图中的双峰时间差与光能量与图5中的函数关系比较，基本相符，可说明利用本实施例的探测器，确实能根据入射脉冲激光照射后产生的电压信号的双峰时间差确定入射脉冲激光能量。
实施例4
本实施例的探测器，同实施例2相比，其中是在制作完光响应层2后把Si单晶基底减薄为0.1微米；其它结构与制作方法同实施例2。
分别用不同脉冲能量、波长为266纳米的脉冲激光(脉宽25皮秒)照射这个探测器件，电极5、6间输出电压信号的双峰时间差与光能量的关系曲线请参见图7所示。从图中可以看出，本实施例的探测器，脉冲激光照射后产生的电压信号的双峰时间差与入射激光能量基本为线性关系，函数关系明显。利用本实施例的探测器，可以根据入射脉冲激光照射后产生的电压信号的双峰时间差，确定入射脉冲激光能量。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.利用脉冲激光能量探测器探测脉冲激光能量的方法，其中，根据待测能量的脉冲激光照射所述探测器后产生的电压信号的双峰时间差确定光能量；
所述的脉冲激光能量探测器包括：
光传感器，该光传感器包括一个利用ZnO/Si异质结材料制作的光传感器芯片、两个电极和两个输出端，其中所述光传感器芯片由ZnO膜层和Si基底构成，所述两个电极分别位于ZnO膜层和Si基底上，且两个电极分别连接两个输出端。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的脉冲激光能量探测器中，所述Si基底为单晶Si，厚度0.1微米～5毫米。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述的脉冲激光能量探测器中，所述ZnO膜层厚度0.1纳米～10微米。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的脉冲激光能量探测器中，所述电极的材料包括银、金、铂、铟、铝和金属性化合物中的至少一种；所述电极为点状、线状或平面电极。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述的脉冲激光能量探测器中，所述电极的材料包括银、金、铂、铟、铝和金属性化合物中的至少一种；所述电极为条形或叉指形电极。
6.根据权利要求1所述的方法，该方法包括步骤：
利用不同能量的脉冲激光照射所述探测器，确定所产生的电压信号的双峰时间差与光能量的函数关系；
利用待测能量的脉冲激光照射所述探测器，确定所产生的电压信号的双峰时间差，并将该时间差与上述函数关系进行分析比较，从而确定该待测能量的脉冲激光的能量。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，待测能量的脉冲激光能量范围为微焦级到毫焦级。
8.根据权利要求1或7所述的方法，其中，待测能量的脉冲激光的波长在紫外至红外范围内。
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