CN111551247A - 基于黑碳化硅陶瓷的热电型光探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于黑碳化硅陶瓷的热电型光探测器，包括由黑碳化硅陶瓷制作的导热板，导热板的一侧表面是光学吸收面；在导热板的任一侧表面设置热电堆，组成热电型光探测器。在上述热电型光探测器中，通过使用黑碳化硅陶瓷同时作为导热板和光吸收体，并使黑碳化硅陶瓷直接与热电堆结合组成热电型光探测器，简化了热电型光探测器的结构；同时，由于黑碳化硅陶瓷导热系数高、热膨胀系数小、耐高温、光学损伤阈值高、光学吸收面可采用研磨方式清洁，降低了热电型光探测器的故障率，并大幅度延长了热电型光探测器的使用寿命。本发明还公开了采用上述热电型光探测器的热电型光功率计/热电型光能量计。

Description

基于黑碳化硅陶瓷的热电型光探测器
技术领域
本发明涉及一种热电型光探测器，尤其涉及一种基于黑碳化硅陶瓷实现的热电型光探测器，同时也涉及采用该热电型光探测器的热电型光功率计/热电型光能量计。
背景技术
现有技术中，热电型激光探测器(例如Ophir Optronics、Coherent、Gentec-EO、Laserpoint等厂商出品的热电型光功率计或热电型光能量计中使用的激光探测器)的结构如图1所示。它们普遍采用铝合金基板作为导热板100，在导热板100的一面设置深色光学吸收涂层101，以实现光学入射面的高比率吸收，导热板100的另外一面先设置一层绝缘层102(或者在铝合金表面直接生成绝缘的氧化层)，然后再在绝缘层102表面设置热电堆103(即多个热电偶串联并贴附于绝缘层102表面)，以探测热量传导时产生的温度差，进而实现对入射光功率或者光脉冲能量的测量。
然而，现有的热电型激光探测器因自身有诸多缺陷，存在寿命短、故障率高的问题，耐用性较差，导致用户需要频繁更换和维修。具体来说，现有的热电型激光探测器存在如下几个方面的问题：1，设置在铝合金基板光学入射面表面的深色光学吸收涂层101极其容易被高能激光破坏，导致光学吸收率下降，而作为导热板100的铝合金基板表面一旦暴露则会有较高的光学反射率，导致激光探测器失准；2，深色光学吸收涂层101表面容易被人为污染而很难清洁，导致光学吸收率变化，激光探测器失准；3，因为导热板100、深色光学吸收涂层101和绝缘层102三层材料的不同，且铝合金基板的热膨胀系数较大，导热板100与绝缘层102材料不匹配，因此使用过程中容易因背面绝缘层102的热胀冷缩导致热电堆103从导热板100脱落，致使激光探测器故障；4，铝合金基板不耐高温，其熔点为500～660℃，一般基于铝合金基板的激光探测器的耐高温极限不超过300℃，因此无法耐受较高平均功率的光学测量。
在上述问题中，深色光学吸收涂层101的损坏是大量热电型激光探测器失效和故障的最主要原因，而且出现此类故障的热电型激光探测器只能更换、不可修复，使用成本很高。
发明内容
本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种基于黑碳化硅陶瓷的热电型光探测器，用于光功率测量和光脉冲的能量测量。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种采用上述热电型光探测器的热电型光功率计/热电型光能量计。
为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种热电型光探测器，包括由黑碳化硅陶瓷制作的导热板，所述导热板整体作为光吸收体；所述导热板的一侧表面是光学吸收面；在所述导热板的任一侧表面设置热电堆。
其中较优地，所述黑碳化硅陶瓷由黑碳化硅粉体烧结而成。
其中较优地，所述黑碳化硅陶瓷由黑碳化硅粉体通过无压烧结、高温等静压烧结、热压烧结、重结晶、反应烧结以及化学气相沉积等工艺中的任意一种烧结而成。其中，压力较高的烧结环境将导致更高的致密性和更高的导热性能。
其中较优地，所述黑碳化硅陶瓷的密度在2.6～3.2g/cm3之间，一般而言，密度越高，其导热性能越好。
其中较优地，所述黑碳化硅陶瓷的光学吸收面非镜面。
其中较优地，所述黑碳化硅陶瓷的光学吸收面的表面粗糙度Ra在0.8～6.3um之间。
其中较优地，所述黑碳化硅陶瓷的光学损伤阈值为窄脉冲高峰值功率下大于3GW/cm2且宽脉冲高能量下至少200～500J/cm2。
其中较优地，所述热电堆设置在与光学吸收面相对的面。
其中较优地，所述热电堆围绕光学入射区域形成闭合曲线。
其中较优地，所述热电堆和绝热边共同围绕光学入射区域形成闭合曲线。
其中较优地，所述导热板的光学吸收面可采用研磨方式清洁。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种采用上述热电型光探测器的热电型光功率计/热电型光能量计。
本发明所提供的基于黑碳化硅陶瓷的热电型光探测器，包括由黑碳化硅陶瓷制作的导热板。导热板整体作为光吸收体；导热板的一面是光学吸收面；在导热板的任一侧表面(光学吸收面或与光学吸收面相对的面)设置热电堆，组成热电型光探测器。在上述热电型光探测器中，通过使用黑碳化硅陶瓷同时作为导热板和光吸收体，取代了现有热电型光探测器中的三层结构(包括铝合金基板、深色光学吸收涂层和绝缘层)，使黑碳化硅陶瓷直接与热电堆结合，组成热电型光探测器，简化了热电型光探测器的结构。同时，由于黑碳化硅陶瓷导热系数高、热膨胀系数小、耐高温、光学损伤阈值高、光学吸收面可采用研磨方式清洁，降低了热电型光探测器的故障率，并大幅度延长了热电型光探测器的使用寿命。
附图说明
图1是现有技术中以铝合金基板作为导热板的热电型光探测器的结构示意图；
图2是本发明所提供的以黑碳化硅陶瓷作为导热板的热电型光探测器的结构示意图；
图3为在导热板的表面设置热电堆的结构示意图；
图4a至图4h为本发明实施例提供的多种热电型光探测器的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的热电型光功率计/热电型光能量计的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行进一步地详细描述。
如图2所示，本发明实施例所提供的基于黑碳化硅陶瓷的热电型光探测器包括由黑碳化硅陶瓷制作的导热板21，导热板21整体作为光吸收体，导热板21朝向入射光10的一侧表面(面积较大的表面)是光学吸收面211。同时，在导热板21的任意一侧表面设置热电堆22，组成热电型光探测器。其中，热电堆22可以设置在导热板21的光学吸收面211上，也可以设置在导热板21的另一侧表面212(与光学吸收面211相对的面，也称背面212)上。优选地，将热电堆22设置在导热板21的背面212，可以防止热电堆22被污染。热电型光探测器检测过程中所吸收的热量15经过热电堆22后从导热板21的侧面213向外扩散，通常需要借助与导热板21接触的散热体进行散热。
如图3所示，热电堆22由多个热电偶串联而成，热电堆22具有一系列双金属结(包括热端22A和冷端22B)，任何两个相邻结之间的温度差会导致在两个结之间形成电压。由于多个结点是串联的，热端22A始终在内部，较热的一侧，冷端22B在外部，较冷的一侧，因此通过热电堆22的径向热流会使热电堆22的输出端22C产生与功率输入成比例的电压。入射光10照射在光学入射区域25(即具有封闭曲线形状的热电堆22所围合区域的中心)内，导热板21所吸收的热量径向流动并从热电堆22的外侧区域散去。
如图2所示，在本发明实施例所提供的热电型光探测器中，使用一种单层材料(具体为由黑碳化硅陶瓷制作的光吸收体与导热板一体式结构)，替代传统热电型光探测器的三层结构(具体为图1所示的铝合金基板100、深色光学吸收涂层101和绝缘层102)。黑碳化硅陶瓷同时用作导热板21和光吸收体，从而从根本上杜绝了现有三层结构中，深色光学吸收涂层101被损坏后露出具有高光学反射率的铝合金基板100，容易引起检测结果失准的问题。并且，省去了绝缘层的设置，避免了由于导热板和绝缘层的热膨胀率不匹配导致电热堆脱落的问题。
在上述结构中所使用的黑碳化硅陶瓷，由黑碳化硅粉体经过烧结工艺形成。具体来说，黑碳化硅陶瓷由黑碳化硅粉体通过无压烧结、高温等静压烧结、热压烧结、重结晶、反应烧结以及化学气相沉积等工艺中的任意一种烧结而成。其中，较优地，压力较高的烧结环境将导致更高的致密性和更高的导热性能。需要说明的是，本发明实施例所提供的技术方案的目的在于保护由黑碳化硅陶瓷作为导热板和光吸收体制造的热电型光探测器，而不在于黑碳化硅陶瓷烧结工艺或黑碳化硅陶瓷本身。因此，即使通过对现有烧结工艺进行改进，获得更致密或更均匀的黑碳化硅陶瓷，只要其用于制造本发明实施例所提供的热电型光探测器，均属于本发明所主张的保护范围。
黑碳化硅陶瓷由黑碳化硅粉体烧结而成。目前有多种制备方法来合成黑碳化硅粉体，如Acheson合成法、激光法、有机前驱体法等。其中，在工业上最常用的是Acheson合成法，通过将石英砂和焦炭加入到炉体内，并加入适量木屑作为添加剂，制备黑碳化硅粉体。由于反应炉的炉体体积往往很大，这就一定程度上使得炉体内的温度分布不均匀，因此合成出的碳化硅粉体可能在性能上具有一定的差异。另外一点就是，用作反应原料的石英砂和焦炭往往不是非常纯净的，里面可能会含有一些铁和铝的金属杂质。因此，获得的碳化硅粉体中可能会存在杂质。绝对纯净的碳化硅粉体往往是无色的，而掺杂有少量的金属杂质时的碳化硅呈现绿色，当金属杂质的含量增多时，碳化硅粉体的颜色会加深，从而呈现黑色。黑碳化硅韧性高于绿碳化硅，主要用于加工陶瓷、耐火材料和有色金属。由黑碳化硅粉体烧结出的碳化硅陶瓷也会呈现黑色，因此称为黑碳化硅陶瓷。在本发明实施例中选取由颜色较深的碳化硅粉体烧结而成的黑碳化硅陶瓷，同时作为热电型光探测器的导热板21和光吸收体。需要说明的是，本发明实施例所提到的黑碳化硅陶瓷，是为了与颜色较浅的绿碳化硅陶瓷进行区分，可以包括但不限于颜色较深的深蓝色、深灰色和黑灰色碳化硅陶瓷，用以保证较高的光吸收率，并不限定所使用的碳化硅陶瓷的颜色必须为黑色。
发明人经过深入研究，认为纯碳化硅材料具有一定的导电性能，绝缘性差，适合作为半导体，因此不适合作为热电堆的连接基体，从而不适合在本发明实施例所提供的热电型光探测器中使用。并且，普通碳化硅材料的致密性和热导率也不足；因此，也不适合用于制作热电型光探测器的导热板21和光吸收体。而碳化硅陶瓷导电性较差，适合作为设置热电堆的基体，并且，碳化硅陶瓷具有较高的致密性和热导率，适合作为热电型光探测器的导热板21和光吸收体。
另一方面，在碳化硅材料中，较为纯净的绿碳化硅的颜色不适合做光学吸收，光学吸收率不佳，并具有较高的光学反射率。黑碳化硅的光学吸收率明显高于绿碳化硅，并且黑碳化硅的光学反射率低于绿碳化硅。因此，黑碳化硅陶瓷作为光谱光学吸收材料，更适合作为热电型光探测器的导热板21和光吸收体。
总之，与纯碳化硅材料和绿碳化硅陶瓷相比，黑碳化硅陶瓷杂质含量较大，并具有更大的电阻率、热导率和光吸收率，表面反射率低于纯碳化硅材料和绿碳化硅陶瓷，更适合制作热电型光探测器。
在本发明的实施例中，使用黑碳化硅陶瓷作为导热板21，一方面黑色作为光学吸收介质具有不可替代的优势，另一方面，黑碳化硅陶瓷的光学吸收面211不是镜面，经过加工使其具备一定的表面粗糙度，例如将Ra控制在0.8～6.3um之间，可以保证较好的光学吸收。当对由黑碳化硅陶瓷制作的光吸收体的表面进行清洁时，所使用的金刚石研磨膏的粒度，也需要和此表面粗糙度相匹配。使用具有一定粒度的金刚石研磨膏清洁导热板21的光学吸收面，可以修复光学吸收面的表面粗糙度，有利于光学吸收。在对黑碳化硅陶瓷的光学吸收面211的光学入射区域25的表面进行加工或清洁时，应使探测区域(即，光学入射区域25)的表面粗糙度保持一致，以确保光学吸收的均匀性。
需要强调的是，采用黑碳化硅陶瓷制成导热板21和光吸收体时，其中所含杂质的量应保证黑碳化硅陶瓷的电阻远高于热电堆22的电阻(R黑碳化硅陶瓷>>R热电堆)，以使黑碳化硅陶瓷导电性对热电堆22的干扰降到最小，而现有的黑碳化硅陶瓷材料的低导电性可以满足此要求。因此，黑碳化硅陶瓷21背面无需额外的绝缘层即可直接贴装热电堆22。
纯碳化硅晶体的密度为3.16～3.2g/cm3，通过烧结工艺获得的黑碳化硅陶瓷的密度在2.6～3.2g/cm3之间。较佳地，致密的黑碳化硅陶瓷的密度可以达到碳化硅陶瓷理论密度的98％以上。一般而言，黑碳化硅陶瓷的密度越大，其导热性能越好，越适合制作热电型光探测器。
经过深入研究，满足本发明实施例要求的黑碳化硅陶瓷同时满足以下特性：黑碳化硅陶瓷本身为黑色本体、无须涂层即可吸收激光，无论是表面还是内部均具有一致的、良好的光学吸收特性；黑碳化硅陶瓷绝缘性较好，具有较低的电导率，可以和热电堆22直接物理接触而不造成短路或电学干扰；黑碳化硅陶瓷具有良好的导热性能，可以快速散热，从而避免大功率激光造成的灼烧；黑碳化硅陶瓷具有较低的热膨胀系数，因此，与热电堆结合紧密，不易发生热膨胀开裂，避免了热电堆的脱落；并且，黑碳化硅陶瓷具有较高的光学损伤阈值(具体参见下文)，可以耐高温、不熔化，因此，黑碳化硅陶瓷适合制作本发明实施例所提供的热电型光探测器。此外，黑碳化硅陶瓷具有合理的密度和比热容，可以保证热电型光探测器具有足够的响应速度。
表1是常见的黑碳化硅陶瓷与常见的铝合金的相关参数对照表。经过对比可知，黑碳化硅陶瓷的导热系数、密度、比热容等方面，具有和铝合金相似的特性；同时在工作温度、热膨胀系数、光反射率、电阻率上的特性，较铝合金有明显的应用优势。因此，发明人认为黑碳化硅陶瓷相较于铝合金，作为激光探测器的导热板和光吸收体，更具有优势。
表1黑碳化硅陶瓷与铝合金的相关参数对照表：
Figure BDA0002476778740000071
下面，详细介绍发明人对黑碳化硅陶瓷的光学损伤阈值所进行的实验测量和理论计算。
选择无压烧结的黑色碳化硅陶瓷制备热电型光探测器，陶瓷密度为3.15g/cm3，碳化硅含量约98％，对635nm波长的光学吸收率约80％，导热系数约150W/(m·K)，陶瓷厚度2mm，表面粗糙度Ra＝0.8um，进行实验如下。
第一次实验为短脉冲、高峰值功率测试。测试光源选择波长1064nm、脉宽500ps、单脉冲能量200mJ的脉冲激光，在不同直径的圆形光斑下对黑碳化硅陶瓷样品表面进行冲击照射。光斑直径选择2mm、3mm时，碳化硅陶瓷表面产生轻微破损，而光斑直径选择4mm、5mm时，碳化硅陶瓷表面除了颜色产生轻微发白色斑之外，没有明显损伤。据此判断其光学损伤阈值在3.2GW/cm2到5.6GW/cm2之间。而具有光学吸收涂层的铝合金探测器所能承受的光学损伤阈值一般在30MW/cm2以内，如OphirOptronics的激光探测器损伤阈值约3MW/cm2，而Laserpoint的激光探测器的光学损伤阈值约30MW/cm2。可以说，黑碳化硅陶瓷的光学损伤阈值较之提高了100倍以上。
在上述实验结束之后，使用粒度600目数的金刚石研磨膏，对经过冲击照射的黑碳化硅陶瓷片表面进行手工研磨之后，4mm和5mm光斑位置的色斑可以轻易去除掉，而3mm光斑处仍有轻微表层损伤，2mm光斑处有一定深度的损伤。这进一步印证了我们对光学损伤阈值的判断。另外，这也表明，使用简单的研磨工艺，可以将被强激光污损的黑0碳化硅陶瓷表面清理和复原，进而提高了激光探测器的复用性和长期使用的经济性。而传统的热电型光探测器中，设置在铝合金基板表面的涂层一旦被污损则无法清理和复原，只能维修更换整个激光探测器。
第二次实验为宽脉冲、高能量测试：在室温20℃时，在2ms的宽脉冲状态下，使用200J的808nm半导体激光器，在10mm×10mm光斑面积上，对厚度2mm的黑碳化硅陶瓷进行表面照射，测量得到被照射区域的局部温度最高值达到约300℃，但并未产生材料损伤。这说明，在宽脉冲状态下，其能量损伤阈值大于200J/cm2。从理论上计算，如使用10mm×10mm×2mm的黑碳化硅陶瓷，假定其密度为3.15g/cm3，比热容为800J/(kg·K)，光学吸收率为85％，则升高900℃的情况下(此时黑碳化硅陶瓷仍然不会有材料损伤)，其理论上可以接收的光学脉冲能量E＝900×(800/1000)×(1×1×0.2×3.15)/85％＝534J。此时的激光的能量密度达到534J/cm2。即其理论光学损伤阈值大于500J/cm2。而具有光学吸收涂层的铝合金基板所能承受的光学损伤阈值一般在50J/cm2以内，如OphirOptronics的激光探测器的损伤阈值约10J/cm2，而Laserpoint的激光探测器的损伤阈值约36J/cm2。可以认为，黑碳化硅陶瓷在宽脉冲、高能量情况下的损伤阈值较之提高约10倍。
因此，使用黑碳化硅陶瓷作为热电型光探测器的导热板和光吸收体，可以大幅提高激光探测器的光学损伤阈值，进而提高其寿命和耐用性，极其适合用于检测超高功率的光或脉冲能量。
下面结合图2至图4h，对本发明实施例所提供的热电型光探测器的结构进行示意性介绍。下述实施例仅用于说明热电型光探测器的结构，并不构成具体的结构限制。
如图2和图3所示，本发明实施例所提供的基于黑碳化硅陶瓷的热电型光探测器，包括由黑碳化硅陶瓷制作的导热板21，导热板21整体作为光吸收体；导热板21的一侧表面是光学吸收面211；在导热板21的任一侧表面设置热电堆22，组成热电型光探测器。热电堆22可以设置在导热板21的光学吸收面211上，热电堆22也可以设置在导热板21的另一侧表面212(与光学吸收面211相对的面，也称背面)上。其中优选地，将热电堆22设置在导热板21的背面212，可以防止热电堆22被污染。
在本发明所提供的实施例中，热电堆22设置在导热板21的光学入射区域25的外侧，热电堆22外侧为散热区24(参见图4a至图4h中标注c的区域)；光学入射区域25吸收的热量经过热电堆21向外侧散去(在图4a至图4h中用黑色的箭头标注了光学入射区域25内部热量的扩散方向)。热电堆22的热端22A布置在热电堆22所在区域的内侧(靠近光学入射区域25的一侧)，热电堆22的冷端22B布置在热电堆22所在区域的外侧(靠近散热区24的一侧)，热电堆22的两端导出，形成输出端22C。热电堆22由多个结点串联而成，以增加其输出电压，输出电压与热量流经热电堆22的热端22A和冷端22B所产生的温度差成正比；通过对输出电压进行检测，可以对入射光的功率和能量进行探测。
当在导热板21上设置绝热边23时，热电堆22与绝热边23围绕成闭合形状；其中，绝热边23用于阻止光学入射区域25吸收的热量从绝热边23的位置向外扩散，可以通过使该位置处的导热板21不与散热体接触实现，从而使得热量全部流经热电堆22。当没有在导热板21上设置绝热边时，热电堆22围绕成闭合形状，以保证全部热量流经热电堆22。由于导热板21所有吸收的热量都流过热电堆22(只要入射光10照射在热结22A的内圈内)，热电型光探测器的响应几乎与入射光束的大小和位置无关。如果光束靠近内圆的边缘，则某些热电偶会比其他热电偶更热，但是由于测量了所有热电偶的总和，因此读数保持不变。
具体来说，如图4a至图4h所示，导热板21的形状不限于圆形、矩形和规则的多边形，还可以是其他未示出的形状，可以是规则图形也可以是不规则图形；热电堆22围绕光学入射区域25形成闭合曲线，或者热电堆22和绝热边23围绕光学入射区域25形成闭合曲线；在导热板21上设置的热电堆22(或热电堆22和绝热边23)所围绕成的闭合曲线的拓扑图形也不一定与导热板21的形状对应。而热电堆22的设置位置不限于导热板21的中心位置；当导热板21的某些侧边设置为绝热边23时，热电堆22的设置位置可以靠近边缘或角部设置。
在图4a所示的实施例中，导热板21的形状为圆形，热电堆22是由多个热电偶串联而成的环形热电堆220，环形热电堆220围绕导热板21的中心分布，形成闭合曲线。其中，如图4a所示，以灰色区域表示光学入射区域25，环形热电堆220围绕光学入射区域25布置成圆形，在环形热电堆220的外侧用符号c表示散热区24，在光学入射区域25中以黑色箭头表示热量的扩散方向，由光学入射区域25吸收的热量均通过环形热电堆220向外散去。
在图4b所示的实施例中，导热板21的形状为圆形，热电堆22是由多个热电偶串联而成的方框形热电堆221，方框形热电堆221围绕导热板21的中心分布，形成闭合曲线。如图4b所示，以灰色区域表示由方框形热电堆221限定的光学入射区域25，方框形热电堆221围绕光学入射区域25布置成方框形，在方框形热电堆220的外侧用符号c表示散热区24，在光学入射区域25中以黑色箭头表示热量的扩散方向，由光学入射区域25吸收的热量均通过方框形热电堆221向外散去。
在图4c所示的实施例中，导热板21的形状为方形，热电堆22是由多个热电偶串联而成的方框形热电堆221，方框形热电堆221围绕导热板21的中心分布，形成闭合曲线。如图4c所示，以灰色区域表示由方框形热电堆221限定的光学入射区域25，方框形热电堆221围绕光学入射区域25布置成方框形，在方框形热电堆221的外侧用符号c表示散热区24，在光学入射区域25中以黑色箭头表示热量的扩散方向，由光学入射区域25吸收的热量均通过方框形热电堆221向外散去。
在图4d所示的实施例中，导热板21的形状为六边形，热电堆22是由多个热电偶串联而成的三角形热电堆222，三角形热电堆222围绕导热板21的中心分布，形成闭合曲线。如图4d所示，以灰色区域表示由三角形热电堆222限定的光学入射区域25，三角形热电堆222围绕光学入射区域25布置成三角形，在三角形热电堆222的外侧用符号c表示散热区24，在光学入射区域25中以黑色箭头表示热量的扩散方向，由光学入射区域25吸收的热量均通过三角形热电堆222向外散去。
在图4e至图4h所示的实施例中，导热板21的形状为矩形，在导热板21的一个侧边或两个侧边设置有绝热边23，热电堆22布置在光学入射区域25外围没有被绝热边23所围合的区域，绝热边23和热电堆22共同围绕成闭合曲线。绝热边23靠进侧边或角部设置，因此，热电堆22和绝热边23所围合的闭合区域也靠进侧边或角部设置，从光学入射区域25吸收的热量仅从热电堆22所在的方向向外散去。
其中，在图4e中，绝热边23设置在导热板21的上侧边，绝热边23占据上侧边的中间部分；U型的电热堆223和绝热边23围绕成方框形的闭合形状，其内部为光学入射区域25，光学入射区域25吸收的热量从布置在左侧、下侧和右侧的U型热电堆223向位于U型热电堆223外侧的散热区24散去。
在图4f中，绝热边23同时设置在导热板21的左侧边、上侧边和下侧边，绝热边23占据上侧边和下侧边的左半部分；直线型的热电堆224设置在导热板21中靠近右侧的位置，从而将导热板21分为位于左侧的光线入射区域25和位于右侧的散热区24；光学入射区域25吸收的热量从直线型的热电堆224向右侧的散热区24散去。
在图4g中，绝热边23同时设置在导热板21的左侧边和上侧边，绝热边23占据左侧边的左侧部分和上侧边的上半部分；折线型的热电堆225和绝热边23围绕成方框形的闭合形状，其内部为光学入射区域25，光学入射区域25设置在靠近导热板21左上角的位置，光学入射区域25吸收的热量从折线形热电堆225向外侧(具体为折线形热电堆225的下侧和右侧)的散热区24散去。
在图4h中，绝热边23同时设置在导热板21的上侧边和下侧边的中部；热电堆226包括两条直线型的热电堆226a和226b，左热电堆226a和右热电堆226b分别设置在绝热边23的两侧，并且左热电堆226a和右热电堆226b的一端(如图所示为下端)通过导线连接成整体，左热电堆226a和右热电堆226b的另一端(如图所示为上端)引出，作为输出端22C。在该实施例中，左热电堆226a的左侧区域和右热电堆226b的右侧区域是散热区24，从而，光学入射区域25吸收的热量通过左热电堆226a和右热电堆226b分别向位于导电板21两侧的散热区24散去。
在黑碳化硅陶瓷21表面设置的热电堆22，可以根据应用温度、测量精度、使用环境等不同应用，选择铋-银、镍铬-镍硅、铜-康铜、铂-铑等不同的热电偶组合。
进一步地，如图5所示，本发明还提供了一种热电型光功率计(或热电型光能量计)。该热电型光功率计/热电型光能量计主要包括上述的热电型光探测器和电压表8，还可以包括其它公知的配套元件。其中，热电型光探测器的输出端22C与电压表8连接。电压表8用于测量热电型光探测器输出的与待测激光实际功率呈预定比例的电压数值。电压表8可以采用数字万用表实现，通过数字万用表可以直接显示出热电型光探测器输出的与待测激光实际功率呈预定比例的电压数值，根据与待测激光实际功率呈预定比例的电压数值可以反推出待测激光的实际功率。
例如，当入射光10为持续较长时间的激光时，入射光10所产生的热量可使设置在导热板21表面的热电堆22所检测到的温度差在较长时间内保持稳定，相应地，热电堆的输出电压的曲线在较长时间内保持一定的峰值，上述热电型光探测器通过测量热电堆22在一段时间内所产生的恒定电压，可以获得入射光10的光功率。当入射光10为持续较短时间的光脉冲时，光脉冲所产生的热量可引起设置在导热板21表面的热电堆22所检测到的温度差在短时间内发生起伏变化，相应地，热电堆22的输出电压的曲线在较短时间内发生起伏变化，通过对短时间内热电堆22所输出的电压进行积分，可以获得光脉冲的能量，从而进行光脉冲的能量测量。
需要说明的是，本发明中的光探测器/光功率计/光能量计所测量的光信号以激光为主，还可以包括其他各种类型的光信号，例如紫外光、红外光、X射线，甚至包括弱光源发射的荧光等。
综上所述，本发明实施例所提供的热电型光探测器采用由黑碳化硅陶瓷制成的导热板作为光吸收体，使得即便光吸收体表面产生破损，也不影响激光吸收率。本发明克服了现有热电型光探测器中，一旦金属导热基体暴露给照射激光，将产生强烈的光学反射，从而导致探测器失准的问题。同时，由于黑碳化硅陶瓷具有绝缘性，可以通过在光吸收体表面直接设置热电堆，避免导热板热膨胀导致热电堆的脱落，并且，热电堆和导热板直接接触更加可靠，导热更加迅速，反应更加灵敏。
由于黑碳化硅陶瓷具有导热系数高、热膨胀系数小、耐高温、光学损伤阈值高、光学吸收面可采用研磨方式清洁的优点，从而可以快速散热，并且可以避免导热板热膨胀导致热电堆的脱落，以及减少导热板的光学吸收面的损坏，降低了热电型光探测器的故障率，并大幅度延长了热电型光探测器的使用寿命。在使用过程中，即使黑碳化硅陶瓷的光学吸收面有轻微损坏，也可以通过简单清洁，例如使用金刚石研磨膏进行研磨，即可轻松地将黑碳化硅陶瓷表面的光斑痕迹清理干净。本发明实施例所提供的热电型光探测器的结构简单、成本低廉、性能可靠、寿命持久，尤其适用于激光或者其他光源的功率测量或光脉冲的能量测量，具有巨大的经济价值。
以上对本发明所提供的基于黑碳化硅陶瓷的热电型光探测器进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (15)

1.一种热电型光探测器，其特征在于包括由黑碳化硅陶瓷制作的导热板。
2.如权利要求1所述的热电型光探测器，其特征在于所述导热板的一侧表面是光学吸收面，所述光学吸收面上设置热电堆。
3.如权利要求1所述的热电型光探测器，其特征在于所述导热板的一侧表面是光学吸收面，另一侧表面设置热电堆。
4.如权利要求2或3所述的热电型光探测器，其特征在于：
所述热电堆围绕光学入射区域形成闭合曲线。
5.如权利要求4所述的热电型光探测器，其特征在于：
所述热电堆和绝热边共同围绕光学入射区域形成闭合曲线。
6.如权利要求2或3所述的热电型光探测器，其特征在于：
所述光学吸收面采用研磨方式清洁。
7.如权利要求1所述的热电型光探测器，其特征在于：
所述黑碳化硅陶瓷由黑碳化硅粉体烧结而成。
8.如权利要求7所述的热电型光探测器，其特征在于：
所述黑碳化硅陶瓷由黑碳化硅粉体在加压环境中烧结而成。
9.如权利要求1所述的热电型光探测器，其特征在于：
所述黑碳化硅陶瓷的密度在2.6～3.2g/cm3之间。
10.如权利要求2或3所述的热电型光探测器，其特征在于：
所述黑碳化硅陶瓷的光学吸收面非镜面。
11.如权利要求10所述的热电型光探测器，其特征在于：
所述黑碳化硅陶瓷的光学吸收面的表面粗糙度Ra在0.8～6.3um之间。
12.如权利要求1所述的热电型光探测器，其特征在于：
所述黑碳化硅陶瓷的光学损伤阈值为窄脉冲高峰值功率下大于3GW/cm2且宽脉冲高能量下至少200～500J/cm2。
13.如权利要求1所述的热电型光探测器，其特征在于：
所述黑碳化硅陶瓷包括但不限于颜色较深的深蓝色、深灰色和黑灰色碳化硅陶瓷。
14.一种热电型光功率计，其特征在于包括电压表及权利要求1所述的热电型光探测器，所述电压表与所述热电型光探测器的输出端连接。
15.一种热电型光能量计，其特征在于包括电压表及权利要求1所述的热电型光探测器，所述电压表与所述热电型光探测器的输出端连接。
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