CN112466981B - 一种用于高功率脉冲激光能量衰减的制冷陷阱衰减器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于高功率脉冲激光能量衰减的制冷陷阱衰减器，包括PIN芯片，PIN芯片具有设有光敏层的探测端，PIN芯片连接有温控转换装置，温控转换装置分别与P型半导体和N型半导体连接，用于使PIN芯片在探测模式与制冷模式之间切换，在制冷模式下，PIN芯片与温控转换装置组合构成为帕尔贴制冷片；探测端还设有环形导电导热层，PIN芯片的P型半导体和N型半导体均与导电导热层接触，光敏层嵌装于导电导热层的内环中；PIN芯片的另一端设有散热装置。本发明设计出PIN芯片与帕尔贴制冷片二合一的探测装置，通过温控转换装置实行该探测装置工作模式的转换，可使PIN芯片的光敏层温度处在安全范围内，显著地提高探测器件的热稳定性，减少超强激光对器件的损伤。

Description

一种用于高功率脉冲激光能量衰减的制冷陷阱衰减器
技术领域
本发明属于激光探测技术领域，具体涉及一种用于高功率脉冲激光能量衰减的制冷陷阱衰减器。
背景技术
高功率脉冲激光在激光雷达、激光毁伤中越来越多应用，对其主动探测或被动衰减是一个热点问题，无论主动还是被动处理，其关键环节都是将其功率衰减到安全范围，所应用的衰减器类型主要包括部分反射衰减器（反射）和吸收衰减器（透射）；其中，采用强衰减系数的吸收型衰减PIN探测器在降低高功率激光光功率的同时，能减少光散射或反射产生的干扰或潜在安全隐患。
PIN陷阱探测器芯片作为一种激光接收系统的重要组件，其工作原理是在两种半导体P型区和N型区之间生成势垒区I型层，吸收光辐射后产生与光辐射强度成正比的光电流；其应用于光电探测领域，具有结电容小、灵敏度高等优点。但是，PIN芯片用于高功率脉冲激光能量衰减时，瞬时吸收超强激光的辐射，光声转换使芯片瞬间聚集大量的热，如果不采取快速降温措施，PIN芯片的温度会骤升。
发明内容
本发明涉及一种用于高功率脉冲激光能量衰减的制冷陷阱衰减器，至少可解决现有技术的部分缺陷。
本发明涉及一种用于高功率脉冲激光能量衰减的制冷陷阱衰减器，包括PIN芯片，所述PIN芯片具有设有光敏层的探测侧面，
所述PIN芯片连接有温控转换装置，所述温控转换装置分别与所述PIN芯片的P型半导体和N型半导体连接；所述温控转换装置用于使所述PIN芯片在探测模式与制冷模式之间切换，在所述制冷模式下，所述PIN芯片与所述温控转换装置组合构成为一帕尔贴制冷片；
所述探测侧面还设有环形导电导热层，所述PIN芯片的P型半导体和N型半导体均与所述导电导热层接触，所述光敏层嵌装于所述导电导热层的内环中；
所述PIN芯片还具有与所述探测侧面相对的散热侧面，所述散热侧面设有散热装置。
作为实施方式之一，所述P型半导体和N型半导体分别通过转换铜片与所述散热装置连接，所述温控转换装置包括双刀开关和控制电源，所述控制电源具有两个正极接点和两个负极接点，其中，
所述P型半导体通过导线与其中一个正极接点电连接，所述P型半导体的转换铜片与其中一个负极接点电连接，
所述双刀开关的其中一条控制线路分别与所述N型半导体以及另一负极接点连接，所述双刀开关的另一条控制线路分别与所述N型半导体的转换铜片以及另一正极接点电连接。
作为实施方式之一，所述转换铜片与所述散热装置之间设有绝缘层。
作为实施方式之一，在所述探测侧面附近设有温度传感器，所述温度传感器与所述温控转换装置联锁控制。
作为实施方式之一，所述导电导热层为导电导热铜片，其中间挖孔以嵌置所述光敏层。
作为实施方式之一，所述散热装置采用硅-铜平板微热管散热器、置入式密排热管阵列散热器、微米级铜管散热器、多孔微热沉散热器或密排毛细液冷散热器。
本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的用于高功率脉冲激光能量衰减的制冷陷阱衰减器，基于帕尔贴制冷片与PIN芯片探测器在材料和结构的相似性，设计出PIN芯片与帕尔贴制冷片二合一的探测装置，通过温控转换装置实行该探测装置工作模式的转换，可使PIN芯片的光敏层温度处在安全范围内，显著地提高探测器件的热稳定性，减少超强激光对器件的损伤，并能够降低激光脉冲快速加热使得入射侧光学表面温度升高所导致的热效应影响，在保证该制冷陷阱衰减器工作稳定性的情况下，也能避免由于增加制冷设备而导致的陷阱衰减器体积大幅增加的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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它的附图。
图1为本发明实施例提供的制冷陷阱衰减器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的控制电源的正负极接点示意图；
图3为本发明实施例提供的采用置入式密排热管阵列散热器的制冷陷阱衰减器的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1，本发明实施例提供一种用于高功率脉冲激光能量衰减的制冷陷阱衰减器，包括PIN芯片1，所述PIN芯片1具有设有光敏层13的探测侧面，所述PIN芯片1连接有温控转换装置，所述温控转换装置分别与所述PIN芯片1的P型半导体11和N型半导体12连接；所述温控转换装置用于使所述PIN芯片1在探测模式与制冷模式之间切换，在所述制冷模式下，所述PIN芯片1与所述温控转换装置组合构成为一帕尔贴制冷片；所述探测侧面还设有环形导电导热层14，所述PIN芯片1的P型半导体11和N型半导体12均与所述导电导热层14接触，所述光敏层13嵌装于所述导电导热层14的内环中。
PIN芯片1的结构为本领域常规技术，其本质是一个加了高反向偏压的PN结，如图1，其包括P型半导体11、N型半导体12以及在N型半导体12与P型半导体11之间生产的势垒区I型层；上述光敏层13对于激光辐射等具有较强的吸收效果，可采用本领域常规的探测器用光敏材料，此处不作赘述。
上述PIN芯片1工作在探测模式时，该PIN芯片1可以大量吸收光子、并产生光电流；当激光照射到该PIN芯片1的光敏层13上时，会在整个耗尽区及耗尽区附近引起受激跃迁，从而产生电子空穴对，即光生载流子，在外部偏压的作用下，光生载流子定向漂移产生光生电流，对于光生电流，PIN会通过电路导出并消耗掉。
上述PIN芯片1工作在制冷模式时，通过上述的温控转换装置，可使该PIN芯片1的N型半导体12与P型半导体11连接形成电偶对，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端C，由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端H。显然地，上述设有光敏层13的探测侧面即构成为冷端C，可对光敏层13进行冷却降温，芯片的相对的另一端构成为热端H。
进一步优选地，如图1和图3，所述PIN芯片1还具有与所述探测侧面相对的散热侧面H，所述散热侧面H设有散热装置2，通过该散热装置2可将制冷模式下的芯片热端H的热量快速地散去，便于PIN芯片1切回至探测模式时的工作稳定性和探测准确性。
有别于常规的光敏层13覆盖P型半导体11、N型半导体12和势垒区I型层的结构，本实施例中，光敏层13仅占芯片面积的一部分，在图1示出的实施例中，该光敏层13仅与I型层连接；该光敏层13周围由环形导电导热层14包围，显然地，该光敏层13与导电导热层14的内环接触，当PIN芯片1工作在制冷模式时，该导电导热层14能加速对光敏层13的冷却。在其中一个实施例中，上述导电导热层14为导电导热铜片14，其中间挖孔以嵌置所述光敏层13；该导电导热铜片14不仅可实现快速地导热，同时能实现P型半导体11与N型半导体12的探测侧面的电连接。
可选地，如图1，在所述探测侧面附近设有温度传感器33，所述温度传感器33与所述温控转换装置联锁控制，通过该温度传感器33检测探测侧面的温度，当其所检测的温度低于预设的PIN芯片1临界损伤温度阈值时，上述PIN芯片1工作在探测模式，当该温度传感器33所检测的温度高于预设的PIN芯片1临界损伤温度阈值时，上述PIN芯片1工作在制冷模式，从而实现快速响应、自动控制，较好地保护PIN芯片1。
在其中一个实施例中，如图1，所述P型半导体11和N型半导体12分别通过转换铜片15与所述散热装置2连接，所述温控转换装置包括双刀开关32和控制电源31，所述控制电源31具有两个正极接点和两个负极接点，其中，所述P型半导体11的PIN正极端口与其中一个正极接点电连接，所述P型半导体11的转换铜片15与其中一个负极接点电连接，所述双刀开关32的其中一条控制线路分别与所述N型半导体12的PIN负极端口以及另一负极接点连接，所述双刀开关32的另一条控制线路分别与所述N型半导体12的转换铜片15以及另一正极接点电连接。上述转换铜片15不仅起到电路连通的作用，同时能较好地将制冷模式下的芯片热端H的热量快速地导引至散热装置2侧。上述双刀开关32可采用温控双刀开关32，其与上述温度传感器33联锁。当温度传感器33所检测的温度低于预设的PIN芯片1临界损伤温度阈值时，该双刀开关32连通图1中的触点a、断开触点b，使上述PIN芯片1工作在探测模式；当温度传感器33所检测的温度高于预设的PIN芯片1临界损伤温度阈值时，该双刀开关32受热产生内应力而迅速动作，断开图1中的触点a、连通触点b，使上述PIN芯片1工作在制冷模式。
显然地，温控转换装置并不限于上述方案，例如还可采用其他的电路结构来实现PIN芯片1工作模式的切换，此处不作一一详述。
进一步优选地，如图1，所述转换铜片15与所述散热装置2之间设有绝缘层16，以保证衰减器的使用安全；散热装置2与绝缘层16之间可采用导热硅胶4粘接。同样地，在上述导电导热铜片14的外侧也优选为设置绝缘层16。
本实施例提供的用于高功率脉冲激光能量衰减的制冷陷阱衰减器，基于帕尔贴制冷片与PIN芯片1探测器在材料和结构的相似性，设计出PIN芯片1与帕尔贴制冷片二合一的探测装置，通过温控转换装置实行该探测装置工作模式的转换，可使PIN芯片1的光敏层13温度处在安全范围内，显著地提高探测器件的热稳定性，减少超强激光对器件的损伤，并能够降低激光脉冲快速加热使得入射侧光学表面温度升高所导致的热效应影响，在保证该制冷陷阱衰减器工作稳定性的情况下，也能避免由于增加制冷设备而导致的陷阱衰减器体积大幅增加的情况。
接续上述的散热装置2，其优选为能使帕尔贴制冷片热端H快速散热；其可采用如下散热装置2中的其中一种：
（1）该散热装置2采用硅-铜平板微热管散热器；热管散热利用毛吸作用原理，热导系数是普通金属100倍以上，传热快，且具有结构简单紧凑，重量轻体积小，无噪声及功耗等优点。
在其中一个实施例中，该硅-铜平板微热管散热器中，微平板热管盖板采用2mm厚的T2紫铜板，中间用飞秒激光加工出深250微米的腔体，基板是750微米的厚双抛硅片，晶向100，在硅片上电铸铜形成毛细沟道，深120微米，采用比热容较大的去离子水作为工质进行腔内气液转化。液体工质在蒸发段被制冷片的热端H加热蒸发，其蒸气经过绝热段流向冷凝段，在冷凝段蒸汽被冷却放出潜热，凝结为液体，积聚在散热段的凝结液借助毛细沟道吸力作用，返回到蒸发段再吸热蒸发。该硅-铜平板微热管散热器的微热管在外形上适应器件散热面平面化的要求，管壳由盖板和基板两部分组成，二者通过胶接封装成密闭空气腔，利用微尺度下的工质接触毛细结构后产生的毛细压差作为回流的动力。
（2）如图3，该散热装置2采用置入式密排热管阵列散热器2。该置入式密排热管阵列散热器2的加工方法具体为：使用飞秒激光（在其中一个具体实施例中，激光器脉冲宽度为50 fs，脉冲频率为1 kHz，波长为400nm）对高硼硅玻璃片21打孔，形成密集孔阵列，再将热管22置入孔中，用导热硅胶固定好。该置入式密排热管阵列散热器2中，每根热管22由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成负压状态，充入适当的沸点低且易挥发的液体工质，管壁由毛细多孔材料的吸液芯构成；热管22一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管22一端受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管22一端传至另外一端，使得热量通过快速循环被源源不断地传导。
（3）该散热装置2采用微米级铜管散热器，其采用微米级的铜管，大量密布形成内层和外层相通的类蜂窝放射型结构，将其固定在铜制材料的底座片上，使得制冷片热端H的热量通过底座片和铜管散热到空气中，实现热量传导。
（4）该散热装置2采用多孔微热沉散热器，其包括微泵、多孔微热沉和冷凝器。其中，多孔微热沉采用网状金属丝网或烧结的金属毛细芯组成多孔介质作为热沉进行换热，其孔隙半径非常小，且具有非常大的散热面积/体积比，局部对流换热系数大，传热能力强；采用微泵驱动冷却工质在系统内部管道循环，当微泵通电后，推动冷却工质从下端进口进入多孔热沉，冷却工质为水，入口流速均匀，制冷片热端H产生的热量通过多孔介质传递给冷却工质，冷却工质吸收热量后进入冷凝器与外界换热，将热量传递给外界，冷凝器可外加风扇风冷散热，冷凝器产生的冷却工质最后又重新进入微泵进行新一轮的循环。
（5）该散热装置2采用密排毛细液冷散热器。
其加工方法具体为：将JGS2 型石英玻璃切成尺寸约为30 mm×10 mm×2 mm 的长方形条板，并用压缩空气吹除试样表面灰尘，保证玻璃上下表面无附着物，使激光光路在玻璃内部传输良好；使用飞秒激光（在其中一个具体实施例中，激光器脉冲宽度为50 fs，脉冲频率为1 kHz，波长为400nm的）加工出密集排布的毛细管道。
该密排毛细液冷散热器中，管道是封闭密接的，采用微泵驱动液体工质在散热器内部管道循环流动；当液体工质通过玻璃板的毛细管道吸收制冷片热端H热量之后，就会从管道流至外接的冷凝器进行冷却，而新冷却后的低温循环液继续吸收制冷片热端H的热量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于高功率脉冲激光能量衰减的制冷陷阱衰减器，包括PIN芯片，所述PIN芯片具有设有光敏层的探测侧面，其特征在于：
所述PIN芯片连接有温控转换装置，所述温控转换装置分别与所述PIN芯片的P型半导体和N型半导体连接；所述温控转换装置用于使所述PIN芯片在探测模式与制冷模式之间切换，在所述制冷模式下，所述PIN芯片与所述温控转换装置组合构成为一帕尔贴制冷片；
所述探测侧面还设有环形导电导热层，所述PIN芯片的P型半导体和N型半导体均与所述导电导热层接触，所述光敏层嵌装于所述导电导热层的内环中；
所述PIN芯片还具有与所述探测侧面相对的散热侧面，所述散热侧面设有散热装置；
所述P型半导体和N型半导体分别通过转换铜片与所述散热装置连接，所述温控转换装置包括双刀开关和控制电源，所述控制电源具有两个正极接点和两个负极接点，其中，
所述P型半导体通过导线与其中一个正极接点电连接，所述P型半导体的转换铜片与其中一个负极接点电连接，
所述双刀开关的其中一条控制线路分别与所述N型半导体以及另一负极接点连接，所述双刀开关的另一条控制线路分别与所述N型半导体的转换铜片以及另一正极接点电连接。
2.如权利要求1所述的用于高功率脉冲激光能量衰减的制冷陷阱衰减器，其特征在于：所述转换铜片与所述散热装置之间设有绝缘层。
3.如权利要求1所述的用于高功率脉冲激光能量衰减的制冷陷阱衰减器，其特征在于：在所述探测侧面附近设有温度传感器，所述温度传感器与所述温控转换装置联锁控制。
4.如权利要求1所述的用于高功率脉冲激光能量衰减的制冷陷阱衰减器，其特征在于：所述导电导热层为导电导热铜片，其中间挖孔以嵌置所述光敏层。
5.如权利要求1所述的用于高功率脉冲激光能量衰减的制冷陷阱衰减器，其特征在于：所述散热装置采用硅-铜平板微热管散热器、置入式密排热管阵列散热器、微米级铜管散热器、多孔微热沉散热器或密排毛细液冷散热器。
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