CN108458783B - 一种热电式激光功率探头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种热电式激光功率探头，包括散热外壳以及固定在散热外壳内部的激光功率探测单元，散热外壳上设有入光口，其中，激光功率探测单元包括基底，基底包括顶面和至少两个外侧面，顶面上设有吸收材料层，吸收材料层与所述入光口对应；至少两个外侧面沿顶面的中心线对称分布，每一外侧面均与顶面或顶面的切面垂直，且每一外侧面上依次设有绝缘层和薄膜热电堆。通过上述方式，本发明实施例能够提高探头的响应速度，减小探头在探测面方向上的横截面积，有利于探头往更小型化发展，应用灵活性强。

Description

一种热电式激光功率探头及其制造方法

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，特别是涉及一种热电式激光功率探头及其制造方法。

背景技术

随着激光技术的发展，激光器在通信、医疗、工业制造等领域的应用越来越广泛。在激光器的研制、生产及应用过程中，对激光器的功率进行测量和标定是必不可少的步骤，激光功率探头按照不同的原理和材料分为热电式型和光电二极管型。

光电二极管型激光功率探头的响应时间非常快，响应频率也非常高，但是对使用波长有一定限制，比如Si光电二极管通常只能测量1微米以内的光，且更适合测量功率较小的激光，如，能够直接探测1pW到数百mW的激光，加了特定波段的滤光片，可以测量3W以内的激光。

传统的热电式型激光功率探头，因其吸收材料种类较多，不同的吸收材料对应不同的吸收光谱和不同的功率密度损伤阈值，从紫外到远红外波段均可使用，测量范围广，可以从mW量级到数kW量级。测量连续激光辐照时，当激光光源照射在热电堆的探测器靶心时，产生的热量通过探测器转换为电势由中心沿着无源区向边缘扩散，在热电偶的热端和冷端形成电势差，最终由电压计读出。

由于无源区的存在，一般热电式型激光功率探头响应速度较慢，灵敏度较低，且由于传统结构的局限性，体积一般比较大，不便于集成化应用。

发明内容

本发明实施例主要解决的技术问题是提供一种热电式激光功率探头及其制造方法，能够提高探头的响应速度，减小探头在探测面方向上的横截面积，有利于探头往更小型化发展，应用灵活性强。

本发明采用的技术方案是：第一方面，提供一种热电式激光功率探头，包括散热外壳以及固定在所述散热外壳内部的激光功率探测单元，所述散热外壳上设有入光口，其中，

所述激光功率探测单元包括基底，所述基底包括顶面和至少两个外侧面，所述顶面上设有吸收材料层，所述吸收材料层与所述入光口对应；

所述至少两个外侧面沿所述顶面的中心线对称分布，每一外侧面均与所述顶面或顶面的切面垂直，且每一外侧面上依次设有绝缘层和薄膜热电堆。

可选地，所述薄膜热电堆包括多个串联的薄膜热电偶，其中，相邻两个所述薄膜热电偶之间通过连接结电连接；

每一薄膜热电偶包括P型热电偶层和N型热电偶层，所述P型热电偶层和所述N型热电偶在靠近所述基底顶面的一端相互叠加，形成PN结，所述PN结所在的一端为工作端，与所述工作端相对的另一端为参考端，所述连接结位于所述参考端，且所述连接结连接的热电偶层的类型不相同；

从一最外侧的薄膜热电偶的P型热电偶层的参考端上引出所述薄膜热电堆的正电极，从另一最外侧的薄膜热电偶的N型热电偶层的参考端上引出所述薄膜热电堆的负电极。

可选地，所述薄膜热电堆为多层膜结构，包括至少两个三层膜结构的薄膜热电偶，相邻的薄膜热电偶之间通过连接结串联电连接，且相邻的薄膜热电偶之间设有第二绝缘薄膜层；

每一薄膜热电偶依次包括P型热电偶层、第一绝缘薄膜层和N型热电偶层，所述P型热电偶层和所述N型热电偶层在所述第一绝缘薄膜层靠近所述基底顶面的一端连接，形成PN结，所述PN结所在的一端为工作端，与所述工作端相对的另一端为参考端，所述连接结位于所述参考端；

在第一个薄膜热电偶的P型热电偶层的参考端上引出所述薄膜热电堆的正电极，在最后一个薄膜热电偶的N型热电偶层的参考端上引出所述薄膜热电堆的负电极。

可选地，设置在不同绝缘层上的薄膜热电堆采用串联方式连接。

在一些实施例中，所述P型热电偶层的厚度为1nm-10.0μm；

所述N型热电偶层的厚度为1nm-10.0μm。

在一些实施例中，所述吸收材料层为面吸收材料或体吸收材料，所述吸收材料层的厚度为1nm-3mm。

在一些实施例中，所述基底为门字形基底、双门字形基底或倒U字形基底；

所述门字形基底包括水平的顶面和两个外侧面，所述双门字形基底包括水平的顶面和四个外侧面，所述倒U字形基底包括弧形的顶面和两个外侧面。

可选地，所述门字形基底、双门字形基底或倒U字形基底通过折边工艺得到，或者通过铣工工艺得到。

可选地，所述门字形基底、双门字形基底或倒U字形基底与热沉一体化成型，整个部件通过铣工工艺得到。

第二方面，本发明实施例还提供一种如上所述的热电式激光功率探头的制造方法，包括以下步骤：

S1、提供基底，所述基底包括顶面和至少两个外侧面，所述至少两个外侧面沿所述顶面的中心线对称分布，每一外侧面均与所述顶面或顶面的切面垂直；

S2、吸收材料层的制备：在所述基底的顶面制备所述吸收材料层；

S3、绝缘层的制备：在所述基底的每一外侧面上制备所述绝缘层；

S4、薄膜热电堆的制备：采用薄膜沉积法，在所述绝缘层上制备所述薄膜热电堆，以及在所述薄膜热电堆引出正、负电极；

S5、激光功率探测单元的制备：在所述薄膜热电堆的正、负电极上分别引出热电式激光功率探头的输出导线，设置在不同绝缘层上的薄膜热电堆采用串联方式连接，形成所述热电式激光功率探头的激光功率探测单元；

S6、散热外壳的封装：将所述激光功率探测单元固定在所述的散热外壳内部，在所述激光功率探测单元与所述散热外壳之间添加高导热介质，形成所述热电式激光功率探头。

本发明实施例的有益效果是：本发明实施例的热电式激光功率探头在吸收材料层吸收激光并将激光能量转化为热量后，热量平行于激光入射的方向进行扩散，在扩散途中减小了无源区，一定程度上缩短了电势传输距离，可提高探头的响应速度；且薄膜热电堆与激光入射的方向一致，能够减小探头在探测面方向上的横截面积，有利于探头往更小型化发展，应用灵活性强，可集成在各类激光器内部做激光功率实时监控，亦可集成在小型化、微型化的激光功率计中，还可手持性应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例提供的热电式激光功率探头的侧面剖析图；

图2是图1所示的热电式激光功率探头的俯视图；

图3是本发明第一实施例提供的激光功率探测单元的断面结构示意图；

图4是本发明第一实施例提供的薄膜热电堆的结构示意图；

图5是本发明第二实施例提供的多层膜结构的薄膜热电堆的结构示意图；

图6是本发明第三实施例提供的激光功率探测单元的基地的结构示意图；

图7是本发明第四实施例提供的激光功率探测单元的断面结构示意图；

图8是本发明第五实施例提供的热电式激光功率探头的制造方法的流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

请参阅图1和图2，图1为本发明一实施例提供的热电式激光功率探头的剖视图，图2为该热电式激光功率探头的俯视图。如图1和图2所示，热电式激光功率探头包括：散热外壳103、以及固定在散热外壳103内部的激光功率探测单元101，散热外壳103上设有入光口1031。

可选地，热电式激光功率探头还包括：设置在散热外壳103和激光功率探测单元101之间的导热层102。导热层102由高导热介质组成，通过在散热外壳103和激光功率探测单元101之间设置导热层102，可使激光功率探测单元101与散热外壳103的接触端形成良好的热接触。

在另一实施例中，散热外壳103的外缘设有散热叶片(图中未示出)，以形成良好的散热。

其中，激光功率探测单元101包括基底，基底包括顶面和至少两个外侧面，顶面上设有吸收材料层，吸收材料层与入光口1031对应，用于吸收激光并将激光能量转化为热量。

至少两个外侧面沿顶面的中心线对称分布，每一外侧面均与顶面或顶面的切面垂直，且每一外侧面上依次设有绝缘层和薄膜热电堆，位于顶面上的吸收材料层吸收激光并将激光能量转化为热量后，热量在平行于激光入射的方向上进行扩散。

本实施例中，激光功率探测单元101呈门字形结构，请参阅图3，图3为激光功率探测单元101的断面结构示意图。如图3所示，激光功率探测单元101包括：吸收材料层301，基底302，绝缘层(第一绝缘层303和第二绝缘层305)，以及薄膜热电堆(第一薄膜热电堆304和第二薄膜热电堆306)。

具体地，基底302为门字形基底，包括水平的顶面和两个外侧面，顶面上设有吸收材料层301，吸收材料层301与入光口1301对应，两个外侧面沿顶面的中心线对称分布，每一外侧面均与顶面垂直。

示例性地，第一绝缘层303和第二绝缘层305分别设置在基底302的两个外侧面上，第一薄膜热电堆304设置在第一绝缘层303上，第二薄膜热电堆306设置在第二绝缘层305上。其中，第一绝缘层303和第二绝缘层305也沿顶面的中心线对称分布，第一薄膜热电堆304和第二薄膜热电堆306也沿顶面的中心线对称分布。

吸收材料层301用于吸收激光并将激光能量转化为热量，可以为面吸收材料或体吸收材料，可根据不同的功率范围和不同的激光类型选择不同的吸收材料，可选地，吸收材料层301的厚度为1nm-3mm。在一些优选地实施例中，吸收材料层301的面积大于或等于顶面的面积。

请一并参阅图4，图4为薄膜热电堆的结构示意图，如图4所示，薄膜热电堆包括多个串联的薄膜热电偶404,其中，相邻两个薄膜热电偶404之间通过连接结409电连接。

其中，每一薄膜热电偶404包括：P型热电偶层401和N型热电偶层402，P型热电偶层401和N型热电偶层402在靠近基底302顶面的一端相互叠加形成PN结403，该PN结403所在的一端为工作端，与工作端相对的另一端则为参考端，连接结409位于参考端，且连接结409连接的热电偶层的类型不相同，如此，使得薄膜热电堆与激光入射的方向一致。

具体实施时，P型热电偶层401在远离基底302顶面的一端与相邻的薄膜热电偶的N型热电偶层相互叠加形成连接结409，N型热电偶层402在远离基底302顶面的一端与相邻的薄膜热电偶的P型热电偶层相互叠加形成连接结409。

从一最外侧的薄膜热电偶404的P型热电偶层401的参考端上引出该薄膜热电堆的正电极405，从另一最外侧的薄膜热电偶404的N型热电偶层402的参考端上引出该薄膜热电堆的负电极406，以及在正电极405和负电极406上通过焊接或接触式连接的方式分别引出整个薄膜热电堆的输出导线407和408。

采用串联方式，将位于不同绝缘层上的薄膜热电堆通过输出导线407和408进行连接，进而引出整个激光功率探测单元101的输出导线。

P型热电偶层401包括但不限于是P型的Te基热电薄膜层、Zn基热电薄膜层等热电薄膜材料层。

N型热电偶层402包括但不限于是N型的Te基热电薄膜层、Zn基热电薄膜层等热电薄膜材料层。

可选地，P型热电偶层401的厚度为1nm-10.0μm，在一些优选的实施例中，该厚度为1nm、1.2μm、4.5μm或者10μm。

可选地，N型热电偶层402的厚度为1nm-10.0μm，在一些优选的实施例中，该厚度为1nm、1.0μm、5.0μm或者10μm。

在另一实施例中，P型热电偶层401和N型热电偶层402之间设有填充物(图中未示出)，除形成PN结403的部分外，P型热电偶层401和N型热电偶层402通过填充物隔离。

基底302的厚度以及高度可用于调整薄膜热电堆的灵敏度，从而改变薄膜热电堆中薄膜热电偶404的个数。基底302可以通过折边工艺得到，亦可以通过铣工工艺得到。

在一些实施例中，基底302可以与热沉一体化成型，整个部件可以通过铣工工艺得到。通过采用热沉与基底302一体化的设计方式，减少了热沉与基底302冷端热接触时所需的部件，可以很好地解决热沉与基底的接触端由于热传导带来的一系列不稳定性的问题。

将激光功率探测单元101安装在散热外壳103里，在激光功率探测单元101与散热外壳103之间添加高导热介质，形成导热层102，再经过引线和封装工序，形成整个热电式激光功率探头。

本实施例的热电式激光功率探头在吸收材料层301吸收激光并将激光能量转化为热量后，热量平行于激光入射的方向进行扩散，在扩散途中减小了无源区，一定程度上缩短了电势传输距离，可提高探头的响应速度；且薄膜热电堆也与激光入射的方向一致，能够减小探头在探测面方向上的横截面积，有利于探头往更小型化发展，应用灵活性强，可集成在各类激光器内部做激光功率实时监控，亦可集成在小型化、微型化的激光功率计中，还可手持性应用。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例的薄膜热电堆为多层膜结构，使得热电式激光功率探头具有更高的灵敏度和良好的线性度。

图5为本实施例提供的薄膜热电堆的结构示意图，如图5所示，在基底501的每一外侧面上均设有绝缘层502，在绝缘层502上设有多层膜结构的薄膜热电堆503。

在绝缘层502上依次并反复制备P型热电偶层504、第一绝缘薄膜层505和N型热电偶层506，其中，一组P型热电偶层504、第一绝缘薄膜层505和N型热电偶层506形成一个三层膜结构的薄膜热电偶509，P型热电偶层504和N型热电偶层506在第一绝缘薄膜层505靠近基底501顶面的一端连接，形成PN结507，该PN结507所在的一端为工作端，与工作端相对的另一端则为参考端。

薄膜热电堆503包括至少两个三层膜结构的薄膜热电偶509，相邻的薄膜热电偶509之间通过连接结508串联电连接，连接结508位于参考端，且相邻的薄膜热电偶509之间设有第二绝缘薄膜层510。

在第一个三层膜结构的薄膜热电偶509的P型热电偶层504的参考端上引出多层膜结构的薄膜热电堆503的正电极511，以及在最后一个三层膜结构的薄膜热电偶的N型热电偶层的参考端上引出多层膜结构的薄膜热电堆503的负电极512，在正电极511和负电极512上通过焊接或接触式连接的方式分别引出整个薄膜热电堆503的输出导线513和514。

第一绝缘薄膜层505或第二绝缘薄膜层510包括但不限于SiO₂薄膜层、Al₂O₃薄膜层等绝缘薄膜层。

其他与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例3

本实施例与上述实施例的不同之处在于，本实施例的激光功率探测单元呈双门字形结构。

请参阅图6，图6为激光功率探测单元的基底的结构示意图，具体地，基底为双门字形基底，包括水平的顶面601和四个外侧面602、603、604和605，四个外侧面602、603、604和605沿顶面601的中心线对称分布，每一外侧面均垂直于顶面601。

其他与实施例1或实施例2相同，在此不再赘述。

实施例4

本实施例与上述实施例的不同之处在于，本实施例的激光功率探测单元呈倒U字形结构。

请参阅图7，图7为激光功率探测单元的断面结构示意图，具体地基底702为倒U字形基底，包括弧形和顶面和两个外侧面，顶面上设有吸收材料层701，吸收材料层701与入光口1301对应，两个外侧面沿顶面的中心线对称分布，每一外侧面均垂直于弧形顶面的切面。一外侧面上依次设有第一绝缘层703和薄膜热电堆704，另一外侧面上依次设有第二绝缘层705和薄膜热电堆706。

其他与实施例1-3相同，在此不再赘述。

实施例5

本实施例提供上述热电式激光功率探头的制造方法，请参阅图8，方法包括以下步骤：

S1、提供基底，基底包括顶面和至少两个外侧面，至少两个外侧面沿顶面的中心线对称分布，每一外侧面均与顶面或顶面的切面垂直；

S2、吸收材料层的制备：在基底的顶面制备吸收材料层；

S3、绝缘层的制备：在基底的每一外侧面上制备绝缘层；

S4、薄膜热电堆的制备：采用薄膜沉积法，在绝缘层上制备薄膜热电堆，以及在薄膜热电堆引出正、负电极；

S5、激光功率探测单元的制备：在薄膜热电堆的正、负电极上分别引出热电式激光功率探头的输出导线，设置在不同绝缘层上的薄膜热电堆采用串联方式连接，形成热电式激光功率探头的激光功率探测单元；

S6、散热外壳的封装：将激光功率探测单元固定在的散热外壳内部，在激光功率探测单元与散热外壳之间添加高导热介质，形成热电式激光功率探头。

其中，采用薄膜沉积法在绝缘层上制备薄膜热电堆为现有技术，在此不详述，且薄膜热电堆、吸收材料层的结构以及各部件之间的相互连接、作用方式均与上述实施例1-4相同，在此不再赘述。

需要说明的是，本发明的说明书及其附图中给出了本发明的较佳的实施例，但是，本发明可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本发明内容的额外限制，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种热电式激光功率探头，包括散热外壳以及固定在所述散热外壳内部的激光功率探测单元，所述散热外壳上设有入光口，其特征在于，

所述激光功率探测单元包括基底，所述基底包括顶面和至少两个外侧面，所述顶面上设有吸收材料层，所述吸收材料层与所述入光口对应；

所述至少两个外侧面沿所述顶面的中心线对称分布，每一外侧面均与所述顶面或顶面的切面垂直，且每一外侧面上依次设有绝缘层和薄膜热电堆；

所述薄膜热电堆包括至少两个薄膜热电偶，相邻两个所述薄膜热电偶之间通过连接结串联电连接，每一所述薄膜热电偶包括PN结，所述PN结设置于靠近所述基底顶面的一端，所述连接结设置于与所述基底顶面相对的另一端，所述PN结所在的一端为工作端，所述连接结所在的一端为参考端。

2.根据权利要求1所述的热电式激光功率探头，其特征在于，

每一所述薄膜热电偶包括P型热电偶层和N型热电偶层，所述P型热电偶层和所述N型热电偶在靠近所述基底顶面的一端相互叠加，形成所述PN结；

从一最外侧的薄膜热电偶的P型热电偶层的参考端上引出所述薄膜热电堆的正电极，从另一最外侧的薄膜热电偶的N型热电偶层的参考端上引出所述薄膜热电堆的负电极。

3.根据权利要求1所述的热电式激光功率探头，其特征在于，

所述薄膜热电堆为多层膜结构，包括至少两个三层膜结构的薄膜热电偶，相邻的薄膜热电偶之间设有第二绝缘薄膜层；

每一所述薄膜热电偶依次包括P型热电偶层、第一绝缘薄膜层和N型热电偶层，所述P型热电偶层和所述N型热电偶层在所述第一绝缘薄膜层靠近所述基底顶面的一端连接，形成所述PN结；

在第一个薄膜热电偶的P型热电偶层的参考端上引出所述薄膜热电堆的正电极，在最后一个薄膜热电偶的N型热电偶层的参考端上引出所述薄膜热电堆的负电极。

4.根据权利要求2或3所述的热电式激光功率探头，其特征在于，

设置在不同绝缘层上的薄膜热电堆采用串联方式连接。

5.根据权利要求2或3所述的热电式激光功率探头，其特征在于，

所述P型热电偶层的厚度为1nm-10.0μm；

所述N型热电偶层的厚度为1nm-10.0μm。

6.根据权利要求1所述的热电式激光功率探头，其特征在于，

所述吸收材料层为面吸收材料或体吸收材料，所述吸收材料层的厚度为1nm-3mm。

7.根据权利要求1所述的热电式激光功率探头，其特征在于，

所述基底为门字形基底、双门字形基底或倒U字形基底；

所述门字形基底包括水平的顶面和两个外侧面，所述双门字形基底包括水平的顶面和四个外侧面，所述倒U字形基底包括弧形的顶面和两个外侧面。

8.根据权利要求7所述的热电式激光功率探头，其特征在于，

所述门字形基底、双门字形基底或倒U字形基底通过折边工艺得到，或者通过铣工工艺得到。

9.根据权利要求7所述的热电式激光功率探头，其特征在于，

所述门字形基底、双门字形基底或倒U字形基底与热沉一体化成型，整个部件通过铣工工艺得到。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的热电式激光功率探头的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、提供基底，所述基底包括顶面和至少两个外侧面，所述至少两个外侧面沿所述顶面的中心线对称分布，每一外侧面均与所述顶面或顶面的切面垂直；

S2、吸收材料层的制备：在所述基底的顶面制备所述吸收材料层；

S3、绝缘层的制备：在所述基底的每一外侧面上制备所述绝缘层；

S4、薄膜热电堆的制备：采用薄膜沉积法，在所述绝缘层上制备所述薄膜热电堆，以及在所述薄膜热电堆引出正、负电极，其中，所薄膜热电堆包括至少两个薄膜热电偶，相邻两个所述薄膜热电偶之间通过连接结串联电连接，每一所述薄膜热电偶包括PN结，所述PN结设置于靠近所述基底顶面的一端，所述连接结设置于与所述基底顶面相对的另一端，所述PN结所在的一端为工作端，所述连接结所在的一端为参考端；

S5、激光功率探测单元的制备：在所述薄膜热电堆的正、负电极上分别引出热电式激光功率探头的输出导线，设置在不同绝缘层上的薄膜热电堆采用串联方式连接，形成所述热电式激光功率探头的激光功率探测单元；

S6、散热外壳的封装：将所述激光功率探测单元固定在所述的散热外壳内部，在所述激光功率探测单元与所述散热外壳之间添加高导热介质，形成所述热电式激光功率探头。