CN105157856A - 利用半导体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用半导体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置，用于解决现有测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置测量效率低的技术问题。技术方案是包括可调谐激光器、单模光纤、光纤环行器、半导体晶片、高带宽光电探测器和示波器。可调谐激光器输出激光经单模光纤导引到光纤环行器，光纤环行器的输出口2将激光传输到半导体晶体表面，光纤环行器的输出口3通过长距离单模光纤与高带宽光电探测器输入口相连，高带宽光电探测器输出口接示波器。本发明使用300微米厚的半导体晶片做探测介质，提高了MeV核辐射脉冲的沉积效率，并使装置输出有效信号，提高了背景技术装置进行MeV核辐射脉冲探测时的效率。

Description

利用半导体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置

技术领域

本发明涉及一种测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置，特别是涉及一种利用半导体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置。

背景技术

参照图1。等倾干涉形成的基本过程如图1所示，这是利用半导体晶片做等倾干涉仪的原理基础。在前后表面仅作抛光处理而不镀膜时，反射率较低(～30％)，等倾干涉可以近似为双光束干涉。一束光是从半导体晶片前表面反射的光2，另一束是折射进入半导体晶片进而从后表面反射再从前表面出射的光2”，两束光在前表面及附近空间发生干涉。半导体晶片折射率发生变化时，两束光的光程差也发生变化，进而使干涉光强空间分布发生变化。

惯性约束核聚变(InertialConfinementFusion，ICF)诊断技术迫切需要高时间分辨(皮秒，picosecond，简写为ps，1ps＝10^-12s)的MeV核辐射脉冲测量技术，传统的探测技术无法实现这么高的时间分辨能力。利用半导体折射率对核辐射脉冲的响应进行测量，是近年来发展起来的一种新的探测方法，将激光通讯中高带宽、高时间分辨记录的优点利用到核辐射脉冲测量领域。

利用脉冲辐射对材料光学性质的改变效应，将核辐射脉冲强度转换为激光强度的变化，而激光脉冲更易于远程高带宽传输与记录。材料对光波的响应可用复折射率表示

$\tilde{N}=n\left(\mathrm{\ω}\right)+i\mathrm{\κ}\left(\mathrm{\ω}\right)---\left(1\right)$

ω为光波圆频率，n(ω)为实折射率，表征材料对光波的相位改变，κ(ω)表征材料的吸收特性，与吸收系数α(ω)有关系：α(ω)＝4πκ(ω)/λ，λ为光波波长。n(ω)与κ(ω)并不独立，由关系联系：

$n\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)-1=\frac{2}{\mathrm{\π}}F{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}\frac{\mathrm{\ω}\mathrm{\κ}\left(\mathrm{\ω}\right)}{{\mathrm{\ω}}^2-{\mathrm{\ω}}^{\′2}}d\mathrm{\ω}---\left(2\right)$

F为主值积分。由(2)式，吸收系数的改变必然引起光波相位的变化。

在光波波段，材料吸收系数变化与非平衡载流子引起的带隙收缩、带填充或自由载流子吸收等效应有关。对于波长长于半导体禁带宽度的光，自由载流子吸收效应起主要作用，引起的折射率变化Δn由Drude等离子体吸收关系描述：

$\mathrm{\Δ}n(N_e,P_h,\mathrm{\λ})=-\frac{e^2{\mathrm{\λ}}^2}{8{\mathrm{\π}}^2{c}^2{\mathrm{\ϵ}}_{0}n}\[\frac{N_e}{m_e}+\frac{P_h}{m_h}\]---\left(3\right)$

N_e、P_h分别为电子、空穴浓度，m_e、m_h分别为电子、空穴的有效质量，m_e0为电子静止质量，n为照射前折射率，e为电子电量，λ为探针光波长，ε₀为真空介电常数，c为真空中的光速。

射线脉冲在半导体内产生非平衡载流子，使材料折射率发生微弱变化，非平衡载流子经过复合过程消失后，半导体的折射率恢复原值。折射率变化通过测量干涉仪干涉光强输出变化实现，这样利用这种过程就可以实现射线脉冲时间宽度的测量。上述为这种技术的基本原理。

这种测量技术在应用中的不足：美国利弗莫尔国家实验室的科技人员，利用上述原理发展了一种核辐射脉冲超快时间分辨测量技术，时间分辨达到了1ps(X-raybang-timeandfusionreactionhistoryatpicosecondresolutionusingRadOpticdetection.ReviewofScientificInstruments,2012,Vol.83,No.10,10D307)。但是，他们使用InGaAsP量子阱材料做探测介质，这是一种在砷化镓(GaAs)中掺杂了铟(In)、磷(P)的多层材料，总厚度仅能生长5微米，这使得探测系统不能探测光子能量MeV的核辐射脉冲。而探测MeV核辐射脉冲是迫切需要在ICF诊断中解决的重要问题。要探测MeV核辐射脉冲，要求使用更厚的半导体介质以提高探测效率。目前，各种半导体在MeV核辐射脉冲作用下折射率变化测试装置还没有建立，各种半导体在MeV核辐射脉冲作用下的折射率变化规律也有待探索。

发明内容

为了克服现有测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置测量效率低的不足，本发明提供一种利用半导体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置。该装置包括可调谐激光器、单模光纤、光纤环行器、半导体晶片、高带宽光电探测器和示波器。可调谐激光器输出激光经单模光纤导引到光纤环行器，光纤环行器的输出口2将激光传输到半导体晶体表面，光纤环行器的输出口3通过长距离单模光纤与高带宽光电探测器输入口相连，高带宽光电探测器输出口接示波器。本发明使用300微米厚的半导体晶片做探测介质，提高了MeV核辐射脉冲的沉积效率，并使装置输出有效信号，解决了背景技术装置进行MeV核辐射脉冲探测时效率低的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用半导体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置，其特点是包括可调谐激光器、单模光纤、光纤环行器、半导体晶片、高带宽光电探测器和示波器。可调谐激光器输出激光通过单模光纤与光纤环行器的输入口1连接，光纤环行器的输出口2接另一单模光纤的一端，另一单模光纤的另一端用FC/APC型光纤接头贴近半导体晶片表面，光纤环行器的输出口3通过长距离单模光纤与高带宽光电探测器输入口相连，高带宽光电探测器输出口接示波器。所述半导体晶片厚度为300微米。可调谐激光器输出激光通过单模光纤导引到光纤环行器的输入口1，光纤环行器完成激光的单向传输。光纤环行器的输出口2通过单模光纤，将激光传输到半导体晶体表面，半导体晶体前表面和后表面反射的激光发生干涉，一部分干涉光再次进入光纤环行器的输出口2，光纤环行器的输出口2将干涉光环行输出到光纤环行器的输出口3，经长距离单模光纤导引到高带宽光电探测器，高带宽光电探测器将激光光强度变化转换为电脉冲由示波器记录。

本发明的有益效果是：该装置包括可调谐激光器、单模光纤、光纤环行器、半导体晶片、高带宽光电探测器和示波器。可调谐激光器输出激光经单模光纤导引到光纤环行器，光纤环行器的输出口2将激光传输到半导体晶体表面，光纤环行器的输出口3通过长距离单模光纤与高带宽光电探测器输入口相连，高带宽光电探测器输出口接示波器。本发明使用300微米厚的半导体晶片做探测介质，提高了MeV核辐射脉冲的沉积效率，并使装置输出有效信号，解决了背景技术装置进行MeV核辐射脉冲探测时效率低的技术问题。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是背景技术等倾干涉光程差形成示意图。

图2是本发明利用半导体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置简图。

图3是图2中FC/APC型光纤接头与半导体表面耦合示意图。

图4是图2所示装置在调节工作点时的输出变化曲线。

图5是本征GaAs、N型GaAs和本征InP在射线脉冲作用下折射率变化曲线。

具体实施方式

以下实施例参照图2-5。

将半导体晶片作为法布里-珀罗干涉仪，半导体晶体的前后表面进行抛光处理，对入射光具有部分透射、部分反射的特性。半导体晶片厚度为300微米，对MeV核辐射脉冲具有较高的探测效率。单模光纤将激光导引到半导体晶体前表面上。激光在晶体的前后表面发生多光束干涉，从晶体前表面反射的光具有环状等倾干涉条纹，最中间的圆形光斑光强度随光斑半径变化最缓慢。单模光纤拾取圆形光斑的一小部分，这部分光在单模光纤中与入射激光传播方向相反，经过光纤环行器，导引到光电探测器。核辐射脉冲作用于半导体时，半导体的折射率发生变化，使等倾干涉条纹分布变化，这样单模光纤拾取的干涉光强也随之改变，光电探测器记录到这种改变，从而实现核辐射脉冲的探测。

本发明利用半导体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置包括可调谐激光器、单模光纤、光纤环行器、半导体晶片、高带宽光电探测器和示波器。

可调谐激光器提供照射半导体晶片的激光。可调谐激光器的输出波长大于半导体禁带宽度对应的波长。带宽0.1MHz。可调谐激光器放置于测量间。

单模光纤将可调谐激光器输出激光导引到光纤环行器。单模光纤长度不小于可调谐激光器和核辐射脉冲发生源的距离。

光纤环行器完成激光的单向传输。可调谐激光器输出激光经单模光纤进入光纤环行器的输入口1。光纤环行器的输出口2接单模光纤，将激光传输到半导体晶体表面，光纤环行器的输出口3接长距离单模光纤，长距离单模光纤另外一端与高带宽光电探测器输入口相连，高带宽光电探测器输出口接示波器。

连接光纤环行器的输出口2的单模光纤，出射端用FC/APC型光纤接头。出射端贴近半导体晶片表面。

半导体晶片作为法布里-珀罗干涉仪。半导体晶片厚度300微米，前表面、后表面均进行抛光处理。从光纤环行器的输出口2出射的激光，在空间中散开，照射在半导体晶片上。半导体前表面、后表面反射的光发生干涉，干涉光强呈一定的空间分布，一部分干涉光再次进入光纤环行器的输出口2。

光纤环行器的输出口2将干涉光环行输出到光纤环行器的输出口3，经长距离单模光纤导引到高带宽光电探测器。高带宽光电探测器放置于测量间。

高带宽光电探测器将激光光强度变化转换为电脉冲，电脉冲由示波器记录。示波器放置于测量间。

本发明装置通过测试核辐射脉冲作用下半导体晶片的折射率变化，实现核辐射脉冲时间宽度的测量。具体方法如下：

首先将半导体晶片放置在核辐射脉冲输出路径上，晶片表面与核辐射脉冲行进方向垂直。根据脉冲射线源输出强度，合理设置半导体距离射线束输出端口的距离。

如图2所示，完成半导体晶片与单模光纤的耦合。单模光纤安装在固定架上，位于核辐射脉冲出射半导体晶体的一侧。单模光纤与半导体晶片平面垂直，与半导体晶片表面接近，以使半导体晶片表面的干涉光再次进入单模光纤。

如图3所示，建立起整个测试装置及配套设备。与半导体晶片耦合的单模光纤的另外一端与光纤环行器相连。光纤环行器尾纤长度1m。光纤环行器的另外两个端口通过长距离单模光纤，与测量间内高带宽光电探测器和可调谐激光器连接。使高带宽激光器和可调谐激光器均进入正常工作状态。高带宽光电探测器输出接入示波器。

如图4所示，调节激光器的波长，通过示波器可见光电探测器输出的周期性变化，证明激光波长变化使干涉光程差发生变化，将干涉仪调整到合适的工作点，如光程差为π的整数倍的位置。

启动核辐射脉冲射线源，将光电探测器输出、射线源监测脉冲一同输入示波器。用射线源监测脉冲触发示波器，光电探测器输出信号变化代表了核辐射脉冲对半导体晶片折射率的改变。

图5是几种典型半导体在～0.1MeV、～1ns脉冲辐射作用下的折射率变化。

如果要研究不同半导体在射线脉冲作用下的折射率变化，更换成待测半导体后按照上述再次建立起干涉仪并调整工作点到适当位置即可。

Claims (2)

1.一种利用半导体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置，其特征在于：包括可调谐激光器、单模光纤、光纤环行器、半导体晶片、高带宽光电探测器和示波器；可调谐激光器输出激光通过单模光纤与光纤环行器的输入口1连接，光纤环行器的输出口2接另一单模光纤的一端，另一单模光纤的另一端用FC/APC型光纤接头贴近半导体晶片表面，光纤环行器的输出口3通过长距离单模光纤与高带宽光电探测器输入口相连，高带宽光电探测器输出口接示波器；所述半导体晶片厚度为300微米；可调谐激光器输出激光通过单模光纤导引到光纤环行器的输入口1，光纤环行器完成激光的单向传输；光纤环行器的输出口2通过单模光纤，将激光传输到半导体晶体表面，半导体晶体前表面和后表面反射的激光发生干涉，一部分干涉光再次进入光纤环行器的输出口2，光纤环行器的输出口2将干涉光环行输出到光纤环行器的输出口3，经长距离单模光纤导引到高带宽光电探测器，高带宽光电探测器将激光光强度变化转换为电脉冲由示波器记录。

2.根据权利要求1所述的利用半导体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置，其特征在于：所述半导体晶片的前表面和后表面均进行抛光处理。