CN107255441A - 一种用于激光束定位的光电传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于激光束定位的光电传感器，包括光敏层，光敏层的两端分别设有阴极电极和阳极电极，光敏层的上方设有遮挡层，遮挡层上设有十字狭缝，十字狭缝沿遮挡层的上平面贯穿至遮挡层的下平面。本发明还公开了上述光电传感器的制作方法，本发明提供的光电传感器解决了现有激光传感装置存在的不便引导激光束垂直入射以及测量精度低的问题。

Description

一种用于激光束定位的光电传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于光电传感技术领域，涉及一种用于激光束定位的光电传感器，本发明还涉及上述光电传感器的制作方法。

背景技术

激光广泛应用于激光切割、激光测距、激光手术、激光核聚变、激光微加工、激光通讯等领域。由于外界振动、气温改变以及激光器发热导致的热振动会造成激光器的光斑中心偏移，并且也会使得激光偏离垂直入射光电传感器的方向，因此需要频繁地对光斑中心进行快速的精准校正及坐标测量。

实际工程应用的激光，光斑形状一般是高斯分布、超高斯分布或均匀分布的，这三种光斑共同特点是光强呈对称分布且最大值位于光斑几何中心处。目前引导激光定位的方法，具体分析如下：

1.刀口扫描法：把刀片固定在光学位移台上，可沿垂直于光束传播方向切割光束，那么未被刀片遮挡的光便会被后方放置的激光功率计接收到。在待测激光功率不变的情况下，光能大小是刀口位置的函数。将多次测量结果代入计算机进行曲线拟合和微分计算，可得到光斑中心的一维坐标。这种方法的主要缺点是：需要用较高精度的光能量计，且引导激光二维定位的测算过程较复杂。

2.CCD成像法：通过CCD图像传感器接收光束，将光强分布转化为二维灰度图像，通过图像处理找出光斑中心。这种方法的主要缺点是：当激光能量较高时，CCD前必须加衰减片衰减光能，这会带来额外的测量误差。

3.四象限传感器法:激光束照射在四象限光电传感器上，四个象限上分别产生四路光电流信号，调整光斑位置使四路输出信号完全相同，则此时光斑中心与传感器中心位置重合。这种方法的主要缺点是：四象限光电传感器有四路输出信号，差分测量电路较复杂；四个象限之间设计有电绝缘间隙，当光斑直径很小时，该间隙的存在会严重影响光斑中心定位精度。

4.中国专利(专利号：ZL201110091739.4，名称：超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量装置及方法，公开号：102243062A，公开日：2011.11.16)公开了一种超短脉冲激光的光斑中心坐标的测量方法，该测量方法不适合测量超高斯或均匀分布的光束。

上述四种方法仅能引导入射光束在二维平面上定位，但都无法直接解决引导激光束入射方向使之与光敏测量平面垂直的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于激光束定位的光电传感器，解决了现有激光传感装置存在的不便引导激光束垂直入射以及测量精度低的问题。

本发明的另一目的是提供上述光电传感器的制作方法。

本发明所采用的第一技术方案是，一种用于激光束定位的光电传感器，包括光敏层，光敏层的两端分别设有阴极电极和阳极电极，光敏层的上方设有遮挡层，遮挡层上设有十字狭缝，十字狭缝沿遮挡层的上平面贯穿至遮挡层的下平面。

本发明第一种技术方案的特点还在于，

其中光敏层由半导体衬底、阴极电极和阳极电极构成，半导体衬底的材料为本征或绝缘晶体，阴极电极和阳极电极位于半导体衬底的同一侧平面或者位于半导体衬底的正反两侧面上，即阴极电极和阳极电极为同侧电极结构或者异侧电极结构。

其中阴极电极和阳极电极结构的要求为：电极形状为外边缘线为有唯一顶点的弧线。

本发明的另一技术方案为上述光电传感器的制作方法，具体包括以下步骤：

步骤1，在半导体衬底上制作阴极电极和阳极电极，形成光敏层；

步骤2，在步骤1形成的光敏层上寻找最优的光触发点A；

步骤3，在遮挡层上加工十字狭缝，将遮挡层安装在步骤1形成的光敏层上，并将十字狭缝的中心对准步骤找到的最优光触发点A，光电传感器制作完成。

本发明第二种技术方案的特点还在于，

其中步骤1中的半导体材料为本征或半绝缘晶体。

其中步骤1中的半导体材料为GaAs、Si、InGaAs、GaN中的一种。

其中步骤1中阴极电极和阳极电极位于半导体衬底的同一侧平面或者位于半导体衬底的正反两侧面上，即阴极电极和阳极电极为同侧电极结构或者异侧电极结构。

其中步骤1中阴极电极和阳极电极的结构相同且镜像对称；阴极电极和阳极电极结构的要求为：电极形状为外边缘线为有唯一顶点的弧线。

其中步骤2的具体过程如下：

定义光敏层的上表面为xy平面，设从阴极电极顶点指向阳极电极顶点的连线在xy平面方向上的投影为x轴，并设阴极电极顶点在xy平面的投影为xyz三维坐标系的原点，当光子照在光敏层的阴极电极顶点和阳极电极顶点之间的连线上时，光生电子-空穴对在电场作用下分别漂移到阳极电极和阴极电极的总距离最短，且漂移速度最快，因此光斑沿y方向移动时，当且仅当移动到x轴上时有光电流幅值最大，光斑沿x方向移动时，存在且仅存在一个最优光触发点A(x₀，0，0)使光电流幅值最大；

寻找最优光触发点A的具体过程如下：

给光敏层的阴极电极和阳极电极之间外加直流稳压使之承受正向偏置电场，然后用位移台移动激光在光敏层上的光斑位置，测量光电流幅值，找到光电流幅值最大的坐标点，即为最优光触发点A的坐标。

其中步骤3中遮挡层采用不透明、电绝缘且反射率低的材料制作，十字狭缝沿遮挡层的上平面贯穿至遮挡层的下平面，十字狭缝侧壁均垂直于xy平面，遮挡层的长和宽尺寸应等于或大于光敏层的长和宽，十字狭缝的缝宽均匀一致，十字狭缝的横向狭缝与纵向狭缝之间夹角为90°，十字狭缝的横向狭缝平行于光敏层的x轴。

其中步骤3中十字狭缝缝宽W与待测激光的直径D之比应小于1，设遮挡层的厚度为H，通过如下公式(1)求遮挡层的厚度H：

其中，θ为引导激光垂直入射的最大允许误差角。

本发明的有益效果是，本发明提供的用于激光束定位的光电传感器装置由外加横向偏置电场的光敏层和有十字狭缝的遮挡层组成，使待测激光通过十字狭缝中心垂直入射在光敏层的最优触发点时光电流达到最大值。本发明装置的优点是结构简单、操作简便、尤其适用于能量密度高且光斑较小的激光束。

附图说明

图1是本发明一种用于激光束定位的光电传感器的结构示意图；

图2是本发明一种用于激光束定位的光电传感器中光敏层的结构示意图；

图3是本发明一种用于激光束定位的光电传感器中遮挡层的结构示意图；

图4是本发明一种用于激光束定位的光电传感器的外部工作电路原理图；

图5是本发明一种用于激光束定位的光电传感器的实施例中的内部电场分布图；

图6是本发明一种用于激光束定位的光电传感器的实施例中的效果图。

图中，1.阴极电极，2.阳极电极，3.光敏层，4.遮挡层，5.直流稳压电源，6.光电传感器，7.电流测量系统，8.十字狭缝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种用于激光束定位的光电传感器，结构如图1～3所示，包括光敏层3，光敏层3的两端分别设有阴极电极1和阳极电极2，光敏层3的上方设有遮挡层4，遮挡层4上设有十字狭缝8，十字狭缝8沿遮挡层4的上平面贯穿至遮挡层4的下平面。

上述光电传感器的制作方法，具体包括以下步骤：

步骤1，在半导体衬底上制作阴极电极1和阳极电极2，形成光敏层3；

光敏层3的半导体衬底材料为本征或半绝缘晶体。如果待测激光的波长已知，且激光功率密度较小，则应优选对该波长吸收深度较小的衬底材料，以避免大量光子透射损失；如果激光功率密度较大，为了避免热应力引起的衬底损伤，则应优选对该波长吸收深度较大的衬底材料，从而减少光子的吸收率。例如针对YAG激光切割机所发出的1064nm高功率脉冲激光，可优选600μm厚的GaAs为衬底，因为GaAs对1064nm波长的吸收属于非本征吸收，吸收深度约为3mm量级。如果待测激光的脉冲宽度很短(纳秒量级或更短)，则优选GaAs、InGaAs、GaN等载流子寿命短的直接带隙半导体材料做衬底。光敏层3的阴极电极1和阳极电极2可以位于半导体衬底同一平面(即阴极电极1和阳极电极2为同侧电极结构)，也可以分别位于半导体衬底正反两面(即阴极电极1和阳极电极2为异侧电极结构)。阴极电极1和阳极电极2为常规工艺制作的欧姆接触电极，阴极电极1和阳极电极2的外边缘线均为有唯一顶点的弧线(例如圆弧、抛物线、正态分布曲线或金字塔尖状)。

步骤2，在步骤1形成的光敏层3上寻找最优的光触发点A；

步骤2的具体过程如下：

定义光敏层3的上表面为xy平面，设从阴极电极1顶点指向阳极电极2顶点的连线在xy平面方向上的投影为x轴，并设阴极电极1顶点在xy平面的投影为光敏层3的xyz三维坐标系的原点o，当光子照在阴极电极1的顶点和阳极电极2的顶点之间(即y＝0且z＝0)时，光生电子-空穴对在电场作用下分别漂移到阳极电极2和阴极电极1的总距离最短，且漂移速度最快(因为y＝0处的电场大于y≠0处的电场，而低场下载流子漂移速度和电场呈正比)，因此光斑沿y方向移动时，当且仅当移动到与x轴相交时有光电流幅值最大，光斑沿x方向移动时，存在且仅存在一个最优光触发点A(x₀，0，0)有光电流幅值最大，由于绝大部分半导体材料的电子迁移率大于空穴迁移率，所以最优光触发点A的位置通常更靠近阴极电极。寻找最优光触发点A的具体过程如下：

给光敏层3的阴极电极1和阳极电极2之间外加直流稳压使之承受正向偏置电场，然后用位移台使光斑中心在x轴上阳极电极2和阴极电极1之间的区域内移动，逐点测量光电流幅值，找到光电流幅值最大的坐标点，即为最优光触发点A的坐标。为了提高定位精度，可将上述光电流幅值离散点上的测量结果，经由三次样条插值等常规的数据处理方法进行处理，可得激光光斑中心在x方向上移动时光电流幅值的连续曲线，曲线最大值的位置即为最优光触发点A的坐标值x₀，上述过程在某一光斑位置测量光电流幅值时，增加测量次数求幅值的平均值，能有效减小由激光脉冲能量起伏带来的测量误差。

步骤3，在遮挡层4上加工十字狭缝8，十字狭缝8的横向狭缝与纵向狭缝之间夹角为90°，将遮挡层4安装在步骤1形成的光敏层3上，将十字狭缝8的中心对准步骤2找到的最优光触发点A，且将十字狭缝8的横向狭缝平行于光敏层3的x轴。

光电传感器6制作完成。

步骤3中遮挡层4采用不透明、电绝缘且反射率低的材料制作，十字狭缝8沿遮挡层4的上平面贯穿至遮挡层4的下平面，十字狭缝8侧壁均垂直于xy平面，待测激光的功率较大时，遮挡层4的制作材料应优选耐高温的材料，例如表面哑光的黑色陶瓷材料，遮挡层4的长和宽尺寸应等于或大于光敏层3的长和宽，使得激光和外界杂散光不能照射到光敏层3的半导体衬底上除十字狭缝8以外的位置，十字狭缝8的缝宽均匀一致。

步骤3中十字狭缝8缝宽W与待测激光的直径D之比应小于1，设遮挡层4的厚度为H，通过如下公式(1)求遮挡层4的厚度H：

其中，θ为引导激光垂直入射的最大允许误差角。

本发明一种用于激光束定位的光电传感器可用来引导激光束在工作前和工作中多次精准定位，本发明装置中的十字狭缝8中心点可作为定位原点，提高激光在雕刻、切割、通信、测量等应用中的精度。本发明一种用于激光束定位的光电传感器的使用方法为：

1)通过将本发明的传感器安装在位移台上，或通过将激光器安装在位移台上，或通过将激光途经的全反镜安装在位移台上，使得激光光斑中心与本发明装置的十字狭缝8中心之间的相对位置和入射角度可调。本发明装置的十字狭缝8的横向狭缝应与位移台的横向运动方向平行，则纵向狭缝就与位移台的纵向运动方向平行。

2)本发明的阳极电极2与直流稳压电源5的正极相连，阴极电极1与电流测量系统7串联后接回直流稳压电源5的负极，如此形成光电流的通路，参见图4，电流测量系统7可测量光电流幅值变化。对于脉冲激光，电流测量系统7可为宽带数字示波器；对于连续激光，电流测量系统7可为精密电流表。

3)先粗调位移台的横向坐标、纵向坐标和朝向角度，使得本发明装置的光敏层3得到输入光，电流测量系统7产生有效输出信号。再细调位移台的横向坐标、纵向坐标和朝向角度，使得电流测量系统7的输出信号达到最大值，即表明激光束垂直入射且激光光斑中心已定位在原点。

本发明一种用于激光束定位的光电传感器的工作原理是：遮盖层4的十字狭缝8和光敏层3可以检测入射光偏离或接近最优光触发点A引起的光电流幅值涨落来定位高斯、超高斯或均匀激光的中心点以及判断光是否垂直入射于光敏层3。

下面给出具体的实施案例：

用暗态电阻率为10⁷Ω·cm量级的半绝缘GaAs:EL2单晶制作光敏层3的衬底。衬底的长、宽和厚度分别为3.5mm、2mm和0.6mm。阴极电极1和阳极电极2是用常规电子束蒸发工艺淀积Au/Ge/Ni合金，经过常规退火工艺处理与GaAs半导体形成欧姆接触。电极形状为圆形(圆形属于圆弧的一种)，直径1.1cm，阴极和阳极的圆心之间相距2.7cm。待测激光束来自脉宽为10ns，波长为1064nm的YAG激光器，高斯光斑直径约为1mm。图5为外加直流偏置电压源后光敏层3的电场分布图，是用ComsolMultiphysics软件仿真出的直流偏置电压下阴极和阳极之间等电位线和电场分布情况(图中由箭头构成的连线代表电力线)，直观展示了本发明传感器实施例在光敏层3的y方向上具有光照位置灵敏度的原因——y＝0处的电场最强且载流子漂移距离最短。给当前裸露的光敏层3串接一台24V直流稳压电源和一台带宽为300MHz的数字示波器(连接方式如图3所示)，示波器内阻设置为50Ω档位，(即光电流脉冲的幅值＝示波器上显示的电压脉冲信号峰值÷50Ω)。以阴极电极1的边缘顶点为光敏层3的原点，用电动位移台调节激光光斑中心在光敏层3的x方向上的位置，每次移动0.2mm，在每个位置上测量20次光电流幅值求平均值以减小由激光脉冲能量起伏带来的误差，所得光电流幅值和光触发位置的关系曲线如图6所示，并得到该曲线的极大值坐标为5.51mm，因此本实施例中最优光触发点A的坐标为(5.51mm，0，0)。光电传感器6的遮盖层4为黑色陶瓷材质，厚度1cm，十字狭缝8的缝宽为0.8mm，缝长为5mm，十字狭缝8的横向狭缝与纵向狭缝之间夹角为90°。将遮盖层4的十字狭缝8的中心点对准光敏层3上的最优光触发点A，且将十字狭缝8的横向狭缝平行于光敏层3的x轴。然后安装固定遮盖层4，完成本发明装置的制作。

使用时，将本发明一种用于激光束定位的光电传感器安装在一个可调载物台上，遮盖层4朝向一台脉宽约为10ns的激光雕刻机，而且将待雕刻的加工件固定在同一载物台上。设本发明装置的十字狭缝8中心点作为载物台平面的定位原点，安装时注意将本发明装置的十字狭缝8的横向狭缝平行于载物台的横向运动平移方向，则十字狭缝8的纵向狭缝就平行于载物台的纵向运动平移方向。用本发明光电传感器来引导功率激光束在加工前和加工过程中多次精准定位，可消除激光雕刻过程中累积的位置偏移误差和解决激光套刻加工中的对位问题。外接一台0-32V可调直流偏置电源和一台带宽为300MHz的数字示波器(示波器内阻设置为50Ω档位)，连接方式如图3所示。把直流偏置电源调至24V，然后分别粗调载物台的横向坐标、纵向坐标和朝向角度，基于示波器测量光电流脉冲幅值(注意如果光强很大使得示波器显示电压信号超过50Ω档位下的最大允许值5V时，为了保护示波器，应适当调低直流偏置电压)。然后，细调载物台的横向坐标、纵向坐标和朝向角度使示波器上显示的脉冲信号的峰值达到最大，即表明激光光斑中心已定位在原点且激光束垂直入射在载物台平面。

Claims (10)

1.一种用于激光束定位的光电传感器，其特征在于：包括光敏层(3)，光敏层(3)的两端分别设有阴极电极(1)和阳极电极(2)，光敏层(3)的上方设有遮挡层(4)，遮挡层(4)上设有十字狭缝(8)，十字狭缝(8)沿遮挡层(4)的上平面贯穿至遮挡层(4)的下平面。

2.根据权利要求1所述的一种用于激光束定位的光电传感器，其特征在于：所述光敏层(3)由半导体衬底、阴极电极(1)及阳极电极(2)构成，所述半导体衬底的材料为本征或绝缘晶体，所述阴极电极(1)和阳极电极(2)分别位于半导体衬底的同一侧平面或者位于半导体衬底的正反两侧面上，即阴极电极(1)和阳极电极(2)为同侧电极结构或者异侧电极结构。

3.一种用于激光束定位的光电传感器的制作方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1，在半导体衬底上制作阴极电极(1)和阳极电极(2)，形成光敏层(3)；

步骤2，在步骤1形成的光敏层(3)上寻找最优的光触发点A；

步骤3，在遮挡层(4)上加工十字狭缝(8)，将遮挡层(4)安装在步骤1形成的光敏层(3)上，并将十字狭缝(8)的中心对准步骤2找到的最优光触发点A，光电传感器(6)制作完成。

4.根据权利要求3所述的一种用于激光束定位的光电传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤1中的半导体材料为本征或半绝缘晶体。

5.根据权利要求4所述的一种用于激光束定位的光电传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤1中的半导体材料为GaAs、Si、InGaAs、GaN中的一种。

6.根据权利要求3所述的一种用于激光束定位的光电传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤1中阴极电极(1)和阳极电极(2)位于半导体衬底的同一侧平面或者位于半导体衬底的正反两侧面上，即阴极电极(1)和阳极电极(2)为同侧电极结构或者异侧电极结构。

7.根据权利要求3所述的一种用于激光束定位的光电传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤1中阴极电极(1)和阳极电极(2)的结构相同且镜像对称；阴极电极(1)和阳极电极结构(2)的要求为：电极形状为外边缘线为有唯一顶点的弧线。

8.根据权利要求3所述的一种用于激光束定位的光电传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程如下：

定义光敏层(3)的上表面为xy平面，设从阴极电极(1)顶点指向阳极电极(2)顶点的连线在xy平面方向上的投影为x轴，并设阴极电极(1)顶点在xy平面的投影为xyz三维坐标系的原点，当光子照在光敏层(3)的阴极电极(1)顶点和阳极电极(2)顶点之间的连线上时，光生电子-空穴对在电场作用下分别漂移到阳极电极(2)和阴极电极(1)的总距离最短，且漂移速度最快，因此光斑沿y方向移动时，当且仅当移动到x轴上时有光电流幅值最大，光斑沿x方向移动时，存在且仅存在一个最优光触发点A(x₀，0，0)使光电流幅值最大；

寻找最优光触发点A的具体过程如下：

给光敏层(3)的阴极电极(1)和阳极电极(2)之间外加直流稳压使之承受正向偏置电场，然后用位移台移动激光在光敏层(3)上的光斑位置，测量光电流幅值，找到光电流幅值最大的坐标点，即为最优光触发点A的坐标。

9.根据权利要求8所述的一种用于激光束定位的光电传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤3中遮挡层(4)采用不透明、电绝缘且反射率低的材料制作，十字狭缝(8)沿遮挡层(4)的上平面贯穿至遮挡层(4)的下平面，十字狭缝(8)侧壁均垂直于xy平面，遮挡层(4)的长和宽尺寸应等于或大于光敏层(3)的长和宽，十字狭缝(8)的缝宽均匀一致，十字狭缝(8)的横向狭缝与纵向狭缝之间夹角为90°，十字狭缝(8)的横向狭缝平行于光敏层的x轴。

10.根据权利要求9所述的一种用于激光束定位的光电传感器的制作方法，其特征在于：所述步骤3中十字狭缝(8)缝宽W与待测激光的直径D之比应小于1，设遮挡层(4)的厚度为H，通过如下公式(1)求遮挡层(4)的厚度H：

<mrow> <mi>H</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>W</mi> <mrow> <mn>2</mn> <mi>tan</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>;</mo> </mrow>

其中，θ为引导激光垂直入射的最大允许误差角。