CN114459603B - 一种高功率激光传感器及激光功率计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率激光传感器及激光功率计，该激光传感器包含从上至下依次设置的：热电薄膜敏感单元、热电致冷单元和散热单元。热电薄膜敏感单元中，倾斜(AB)n多层膜设置在衬底的上表面，其由两种不同的材料A和材料B交替堆砌而成，材料A和B的熔点均高于900℃，倾斜(AB)n多层膜的电阻小于或等于100欧姆；衬底为高导热且绝缘的衬底；金属电极对称且平行地设置在倾斜(AB)n多层膜上表面的两端；金属导线的一端与金属电极连接，另一端用于与信号采集系统连接。本发明的激光传感器在没有水冷的情况下便可以直接用于千瓦级高功率连续激光的功率密度测量，以及用于焦耳级短脉冲激光能量密度的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光传感器，具体涉及一种高功率激光传感器及激光功率计。
背景技术
随着现代激光技术的快速发展，激光器在医疗、工业制造、成像和军事武器等领域得到广泛应用。在使用激光器时，需要对激光输出光功率进行检测，以确保激光系统的可靠性。因此，激光器的功率密度检测是激光器检测计量领域的一个重要部分。
按照测量原理的差异，目前的激光功率计主要包括以下四大类：
(1)光电型探测器，其主要是利用光电二极管实现对入射激光功率的探测，这种类型探测器的破坏阈值比较低，容易受到强激光的干扰和损伤，主要用于低功率激光探测；
(2)热电堆型探测器，这种探测器在结合水冷时可以用于高功率(百瓦级)连续激光的功率测量，但是由于其热时间常数较大，因此无法测量短脉冲(脉冲宽度小于微秒)激光功率；
(3)热释电探测器，这种探测器仅能用于短脉冲(脉冲宽度小于微妙)激光能量测量，无法用于连续激光功率测量；
(4)液体量热型，其主要是利用具有恒定流速的传热液体(如水)的温度的变化推算所吸收激光的功率值，正如中国专利CN111256845A所公开的一种高光率激光功率计，由于其响应时间特别慢，无法测量脉冲激光的能量。
目前，高功率(千瓦级别)连续激光和高能量(焦耳级别)短脉冲激光(脉冲宽度小于微妙)使用范围不断增加，而适用这类高功率或高能量密度的激光传感器一般需要使用水冷系统以确保强激光辐射下信号的线性响应以及避免强激光对探测器造成损伤。水冷系统一般包括：水管、制冷箱、循环水和水泵等，其复杂性使得作业现场对激光进行检测变得十分困难，同时也使得激光功率计成本较高。
目前还没有无水冷激光功率密度计能同时用于高功率连续激光的功率密度测量，以及高能量脉冲激光的能量密度测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种高功率激光传感器及激光功率计，解决了目前高功率激光传感器需要水冷设备的问题，在没有水冷的情况下便可以直接用于千瓦级高功率连续激光的功率密度测量，以及用于焦耳级短脉冲激光能量密度的测量。
为了达到上述目的，本发明提供了一种高功率激光传感器，该激光传感器包含从上至下依次设置的：热电薄膜敏感单元、热电致冷单元和散热单元。
其中，所述热电薄膜敏感单元包含：倾斜(AB)n多层膜、衬底、金属电极和金属导线；所述倾斜(AB)n多层膜设置在所述衬底的上表面，其由两种不同的材料A和材料B交替堆砌而成，所述材料A和B的熔点均高于900℃，倾斜(AB)n多层膜的电阻小于或等于100欧姆；所述衬底为高导热且绝缘的衬底；所述金属电极对称且平行地设置在所述倾斜(AB)n多层膜上表面的两端；所述金属导线的一端与所述金属电极连接，另一端用于与信号采集系统连接。
所述热电致冷单元包含：高导热金属层、导热陶瓷、热电致冷模块和电源线；所述高导热金属层设置在所述衬底的下表面，所述导热陶瓷设置在所述高导热金属层的下表面，所述热电致冷模块设置在所述导热陶瓷的下表面，其由热电Peltier器件串联形成；所述热电致冷模块的两端均连接有电源线，电源线的另一端用于与外接直流电源连接；所述高导热金属层和衬底交界处为热电致冷单元的冷面，所述热电致冷模块和散热单元交界处为热电致冷单元的热面，所述热面和冷面的温差不小于60℃。
所述散热单元设置在所述热电致冷模块的下表面。
优选地，所述倾斜(AB)n多层膜的厚度为0.1～10微米。
优选地，所述材料A的厚度tA和材料B和的厚度tB的比值p满足1≤p≤100；所述材料B选用具有导电性能的Si或Ge，其电导率cB满足10S·cm-1≤c≤100S·cm-1；所述材料A的电导率cA大于cA>10000S·cm-1。
优选地，所述n为大于1的整数。通过控制A的厚度tA和材料B和的厚度tB的比值p，以及周期数n，使得倾斜(AB)n多层膜的电阻不大于100欧姆，这对于实现短脉冲激光的能量的准确测量非常重要。
优选地，所述倾斜(AB)n多层膜选用Cu/Si、Cr/Si、Cu/Ge和Cr/Ge材料中任意一种。
优选地，所述倾斜(AB)n多层膜与水平方向存在一个夹角α，0°<α<90°。
优选地，所述材料A的热导率kA和材料B的热导率kB均大于或等于0.5W/(cm·K)，且kA和kB越大越好。
优选地，所述材料A的热电系数SA和材料B的热电系数SB满足SA不等于SB，两者的差值的绝对值大于或等于5uV/K，且两者的差值越大越好。
优选地，所述倾斜(AB)n多层膜通过物理气相沉积技术生长在所述衬底上。
优选地，所述衬底的材料选用AlN或Si3N4。
优选地，所述衬底的厚度为0.1～1mm。
优选地，所述金属电极具有耐高温性能。
优选地，所述金属电极选用Pt。
优选地，两个对称设置的金属电极之间的距离不小于1mm。
优选地，所述衬底通过导热胶固定于所述高导热金属层上。
优选地，所述导热陶瓷的材料选用AlN或Al2O3。
优选地，所述热电致冷模块的厚度为3～8毫米。
优选地，所述导热陶瓷的厚度为0.05～0.5毫米。
优选地，所述高导热金属层的厚度为0.3毫米。
优选地，所述散热单元选用金属散热器。
优选地，所述散热单元选用铜基散热器。
本发明的另一目的是提供一种采用所述的高功率激光传感器的激光功率计。
本发明的高功率激光传感器及激光功率计，解决了目前高功率激光传感器需要水冷设备的问题，具有以下优点：
(1)本发明的高功率激光传感器，热电薄膜敏感单元耐高温性能好，组成薄膜材料的熔点均高于900℃，结合热电致冷单元和散热单元的使用，使得高功率激光传感器在没有水冷的情况下便可以直接用于千瓦级高功率连续激光的功率密度测量，以及用于焦耳级短脉冲激光能量密度的测量；
(2)本发明的高功率激光传感器，热电薄膜的电阻比较小，薄膜型器件的热容量比较小，同时热电薄膜的热导率比较高，使得激光探测器能够对超短脉冲(如脉冲宽度为纳秒和皮秒)激光进行能量密度测量；
(3)本发明的高功率激光传感器，通过控制A的厚度tA和材料B和的厚度tB的比值p，以及周期数n和电导率，使得倾斜(AB)n多层膜的电阻不大于100欧姆，这对于实现短脉冲激光的能量的准确测量非常重要；
(4)本发明的高功率激光传感器，从热电薄膜到金属散热器之间有一条顺畅的散热通道，使得热电薄膜器件上表面在被激光辐照时所积累的热量能快速的由该通道扩散到空气中，从而使得激光探测器具有较高的频率响应。
附图说明
图1为本发明的激光传感器的结构示意图。
图2为本发明的激光传感器在连续激光不同辐照功率下的电压峰值。
具体实施方式
下面将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他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高功率激光传感器，如图1所示，该激光传感器包含从上至下依次设置的：热电薄膜敏感单元、热电致冷单元和散热单元8。
上述热电薄膜敏感单元包含：倾斜(AB)n多层膜1、衬底2、金属电极3和金属导线4。其中，倾斜(AB)n多层膜1设置在衬底2的上表面，其由两种不同的材料A和材料B交替堆砌而成，材料A和B的熔点均高于900℃，从而使得敏感单元能承受比较高的温度，继而能够测量高功率或高能量激光。倾斜(AB)n多层膜的电阻小于或等于100欧姆，这对于实现短脉冲激光的能量的准确测量非常重要。衬底2为高导热且绝缘的衬底；金属电极3对称且平行地设置在倾斜(AB)n多层膜1上表面的两端；金属导线4的一端与金属电极3连接，另一端用于与信号采集系统连接。
由热电效应表达式表示电场矢量，/>表示热电系数矢量，/>表示温度矢量，可以得出，在倾斜(AB)n多层膜的两端可以测量到一个电场信号，该信号与入射激光功率密度/能量密度正相关。
本发明的倾斜(AB)n多层膜的电阻小于或等于100欧姆，热电薄膜的电阻比较小，薄膜型器件的热容量比较小，同时热电薄膜的热导率比较高，使得激光探测器能够对超短脉冲(如脉冲宽度为纳秒和皮秒)激光进行能量密度测量。
热电致冷单元包含：高导热金属层5、导热陶瓷6、热电致冷模块7和电源线9；高导热金属层5设置在衬底2的下表面，导热陶瓷6设置在高导热金属层5的下表面，热电致冷模块7设置在导热陶瓷6的下表面，其由热电Peltier器件串联形成；热电致冷模块7的两端均连接有电源线9，电源线9的另一端用于与外接直流电源连接；高导热金属层5和衬底2交界处为热电致冷单元的冷面，热电致冷模块7和散热单元8交界处为热电致冷单元的热面，热面和冷面的温差不小于60℃。高导热金属层5用于提高热电薄膜敏感单元到热电致冷单元的散热速度。
热电致冷单元的作用有两部分，一方面，热电致冷单元为热电薄膜敏感单元提供一个优异的热沉，从而确保热电薄膜敏感单元下表面一直处于一个恒定的低温状态，使得热电薄膜敏感单元的热及时扩散出去，这样可以提高热电薄膜敏感单元的耐高温性能；另外一方面，热电致冷单元提供的持续致冷效果使得热电薄膜敏感单元能够连续工作，不会因为散热不及时导致热平衡从而使得器件输出电压信号为零。本发明的热电致冷单元的使用，使得即便没有水冷，激光功率密度计能同时用于高功率连续激光的功率密度测量，以及高能量脉冲激光的能量密度测量。
进一步地，散热单元8设置在热电致冷模块7的下表面。
进一步地，倾斜(AB)n多层膜1的厚度为0.1～10微米，通过控制n和p来调控薄膜的整体厚度。
进一步地，材料A的厚度tA和材料B和的厚度tB的比值p满足1≤p≤100；材料B选用具有导电性能的Si或Ge，其电导率cB满足10S·cm-1≤c≤100S·cm-1。对于材料A的电导率cA，需要满足cA>10000S·cm-1。材料A的电导率cA和材料B的电导率cB均越大越好，从而使得(AB)n多层膜整体表现的电阻比较低，利于实现超短脉冲激光的能量的准确测量。
进一步地，n为大于1的整数。
进一步地，倾斜(AB)n多层膜选用Cu/Si、Cr/Si、Cu/Ge和Cr/Ge材料中任意一种。
进一步地，倾斜(AB)n多层膜与水平方向存在一个夹角α，0°<α<90°，夹角不能为0或90°，理论上信号峰值与Sin(2α)正相关，实际上很复杂，优选地夹角在5～20°。
上述(AB)n多层膜在非倾斜状态时沿水平方向的物理参数(包括热电系数S||，电导率c||和热导率k||)以及多层膜非倾斜状态时沿垂直方向的物理参数(包括热电系数S⊥，电导率c⊥和热导率k⊥)由单层材料A和B的物理性能(包括材料A的热电系数SA、电导率cA和热导率kA,以及材料B的热电系数SB、电导率cB和热导率kB)以及两者的厚度比值决定。
而且，材料A的热电系数SA和材料B的热电系数SB，需要满足SA不等于SB，且两者的差值越大越好。材料A的热电系数SA和材料B的热电系数SB数值差异越大越有利于获得较高的电压信号灵敏度。
此外，材料A的热导率kA和材料B的热导率kB，需要满足材料A的热导率kA和材料B的热导率kB均大于或等于0.5W/(cm·K)，且kA和kB越大越好，使得薄膜器件整体散热性能好，有利于获得获得较大的频率响应。
上述倾斜(AB)n多层膜1可以通过物理气相沉积技术生长在衬底2上。
对于衬底2的材料，可以选用AlN或Si3N4，热导率高，有利于散热，薄膜和衬底界面的热边界电阻小。衬底2的厚度为0.1～1mm。衬底2可以通过导热胶固定于高导热金属层5上。
上述金属电极3具有耐高温性能，具体地，金属电极3选用Pt。而且，两个对称设置的金属电极3之间的距离不小于1mm。
上述导热陶瓷6的材料选用AlN或Al2O3，热导率高，散热快。导热陶瓷6的厚度为0.05～0.5毫米。
上述热电致冷模块7的厚度为3～8毫米，具体厚度依赖于热电致冷模块7所采用的级联数。高导热金属层5的厚度为0.3毫米。
上述散热单元8选用金属散热器，具体地，散热单元8可选用铜基散热器。
如图2所示，为激光传感器在连续激光不同辐照功率下的电压峰值，采用本发明的无水冷激光传感器用于CO2(10.6微米波长)激光功率测量，电压信号峰值与激光功率之间呈很好的线性关系。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (7)
1.一种高功率激光传感器，其特征在于，该激光传感器从上至下依次设置有：热电薄膜敏感单元、热电致冷单元和散热单元；
其中，所述热电薄膜敏感单元包含：倾斜(AB)n多层膜(1)、衬底(2)、金属电极(3)和金属导线(4)；所述倾斜(AB)n多层膜(1)设置在所述衬底(2)的上表面，其由两种不同的材料A和材料B交替堆砌而成，n为AB的周期数，所述材料A和B的熔点均高于900℃，倾斜(AB)n多层膜的电阻小于或等于100欧姆；所述衬底(2)为高导热且绝缘的衬底；所述金属电极(3)对称且平行地设置在所述倾斜(AB)n多层膜(1)上表面的两端；所述金属导线(4)的一端与所述金属电极(3)连接，另一端用于与信号采集系统连接；
所述热电致冷单元包含：高导热金属层(5)、导热陶瓷(6)、热电致冷模块(7)和电源线(9)；所述高导热金属层(5)设置在所述衬底(2)的下表面，所述导热陶瓷(6)设置在所述高导热金属层(5)的下表面，所述热电致冷模块(7)设置在所述导热陶瓷(6)的下表面，其由热电Peltier器件串联形成；所述热电致冷模块(7)的两端均连接有电源线(9)，电源线(9)的另一端用于与外接直流电源连接；所述高导热金属层(5)和衬底(2)交界处为热电致冷单元的冷面，所述热电致冷模块(7)和散热单元(8)交界处为热电致冷单元的热面，所述热面和冷面的温差不小于60℃；
所述散热单元(8)设置在所述热电致冷模块(7)的下表面；
所述倾斜(AB)n多层膜(1)的厚度为0.1～10微米；所述导热陶瓷的厚度为0.05～0.5毫米；所述高导热金属层的厚度为0.3毫米；
所述材料A的厚度tA和材料B和的厚度tB的比值p满足1≤p≤100；所述材料B选用具有导电性能的Si或Ge，其电导率cB满足10S·cm-1≤c≤100S·cm-1；所述材料A的电导率cA满足cA>10000S·cm-1；
所述n为大于1的整数。
2.根据权利要求1所述的高功率激光传感器，其特征在于，所述倾斜(AB)n多层膜选用Cu/Si、Cr/Si、Cu/Ge和Cr/Ge材料中任意一种。
3.根据权利要求1所述的高功率激光传感器，其特征在于，所述倾斜(AB)n多层膜与水平方向存在一个夹角α，0°<α<90°。
4.根据权利要求1所述的高功率激光传感器，其特征在于，所述材料A的热导率kA和材料B的热导率kB均大于或等于0.5W/(cm·K)。
5.根据权利要求1所述的高功率激光传感器，其特征在于，所述材料A的热电系数SA和材料B的热电系数SB满足SA不等于SB，两者的差值的绝对值大于或等于5uV/K。
6.根据权利要求1所述的高功率激光传感器，其特征在于，所述衬底的材料选用AlN或Si3N4。
7.一种采用如权利要求1-6中任意一项所述的高功率激光传感器的激光功率计。
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