JP2008513796A - 光起電力検出器 - Google Patents

Abstract

光ビームの時間的、および空間的分布を検出し、監視する方法およびシステムが提供される。所与のドーピング濃度範囲を有する半導体基板（１２０）は、入射するレーザービーム（１５０）に部分的に露出される。レーザービームに露出される、半導体構造（１２０）の各部分は、露出範囲に入射する光パワーもしくはエネルギーに直接関係する電圧を出力する電気接点（１４５）を備える。レーザーに誘起される熱勾配によって熱電圧が生じる。感度およびピクセル間クロストークは、ピクセルピッチ、ドーピング濃度、および窓の開口部（１１０）によって決定される。設計に依存し、各ピクセルは、レーザービームの時間的変動に対して感度が高いであろう。

Description

発明の属する技術分野
本発明は、高い光パワー適用において、高出力レーザービームの時間的および空間的プロファイルを測定する、および／または、監視する、方法およびシステムに関する。

発明の背景
強力なＣＯ_２レーザービームの空間的および時間的分布を監視することのできる、検出器および／またはカメラを考えつくことは、産業ＣＯ_２レーザー適用について重要な問題である。ビーム監視は、パルスレーザーの適用、すなわち連続波（ＣＷ）適用と同じく、ピコ秒からミリ秒のパルス幅を有する適用について、必要とされる。ビーム診断は、レーザーベースの産業プロセスがしばらくの間予期せず落下することを防ぐ。通常、レーザービームの品質は、セットアップにおけるレーザーで誘起された光学素子の損傷のため、もしくはセットアップにおける熱で誘起された不整合のため、時間の経過と共に劣化する。

２つの基礎的なレーザービーム検出機構が、識別されるであろう：入射割り当て、たとえば、材料特性における変化を通じて入射赤外線によって生じる温度変化に応答するエネルギー検出器、および、フォトンと束縛電子との相互作用を通じて自由電子キャリアを生じるフォトン検出器である。エネルギー検出器は低コストで、一般的に、単一の検出器の適用に用いられる。しかし、半導体において大きな２次元焦点面配列を製造することの単純さは、ほとんど全ての高度赤外線検出システムにおいてフォトン検出器を用いることにつながった。フォトン検出器の実施例は、量子井戸および量子ドット赤外線検出器、光伝導性および光電池検出器である。エネルギー検出器は２つの要素、吸収材と熱変換器とを含む。実施例は、焦電検出器、強誘電体検出器、ボロメーターなどのサーミスタである。焦電および強誘導体検出器は、温度変化にあった時に偏光を変化する偏光材料を含む。サーミスタにおいて、要素の抵抗は温度によって変化する。

連続波（ＣＷ）領域において、光電磁（ＰＥＭ）や焦電検出器（ＰＥ）などの既存の商用検出器において、３０Ｗを上回るビームパワーについて、既に問題が生じる。既存のＣＷ検出器（ＰＥ、ＰＥＭ）の感度は、低い光パワーにおいて大変高く、すなわち数千Ｖ／Ｗであるが、高い光入力において２つの現象が、検出器出力の強い低下を生む。まず、光入力が上昇する時、電気出力における著しい非線形があり、入力が桁違いに変化する時、感度は桁違いに低下し、したがって、これらの検出器は大変限定されたダイナミックレンジを有する。次に、いくらかの光パワーレベルを越えて、これらの限定された熱排出により、また大変局所的な吸収法により、熱損傷が生じる。パルス適用において、光パワー密度は大変高く、商用の検出器はこれらの光パワーレベルを全く検出することができない。高い、すなわち１ＭＷｃｍ^−２を上回る光パワーレベルにおいて、既存の商用装置が高い光パワーレベルにおいてその感度を失う、すなわちそれらの感度は桁違いに低下するので、パルス適用について、実行可能で利用可能な検出器／カメラはない。

通常、上述の検出器のほとんどが、全ての種類の加熱物体から放射されるエネルギーを収集するのに用いられると言われる。検出されたエネルギーは、画像に変換され、物体間のエネルギー差を示し、したがってさもなければ隠される場面を視覚化することを可能にする。これらのカメラの典型的な適用は、熱画像化、暗視カメラ、自動車用、消火活動、電子機器の熱検査、および産業プロセスの監視である。このような検出器は通常、高出力適用には用いることができない。したがって、レーザービームプロファイリングの市場について、もっと高いパワーレベルに耐える、新規の検出器タイプの発展の必要性がある。
レーザーのパワー出力を配置もしくは測定するのに用いられるいくつかのシステムが既知である。

米国特許出願第３，６２４，５４２号は、光線分配器から構成される、レーザーの発光パワー出力をチェックする方法を説明する。レーザービームの部分は、感温装置に向けられる。装置は、ビームの部分を収集し、それをサーモカップルセットアップに向ける受熱コーンから作られる。レーザー出力における変動は、電気出力における変動をもたらし、このことは、レーザーの出力について、連続的に監視し、フィードバックを提供することを可能にする。それにもかかわらず、書類は、光ビームのパワー出力を制御する方法を説明するだけであり、これは、空間的情報を提供しないため、光ビームプロファイルを制御することを可能としない。配列構成へのいかなる拡張も可能ではない。

米国特許出願第２００１／００４２８３１号 Ａ１は、それにより基板上に薄膜が堆積され、それにより生成されたフォトン熱の吸収、検出および除去が薄膜において行われる、フォトン検出器を説明する。それにもかかわらず、現実の高出力システムについて、熱的および機械的損傷が起こる可能性は大変大きい。同様に、米国特許出願第２００３／０１６４４５０号 Ａ１は、それによって薄膜検出素子が用いられる、熱放射を検出する方法およびシステムを説明する。さらに、米国特許出願２００３／０１６４４５０号 Ａ１は、これもまた高出力のレーザーシステムが用いられる場合に有利でない、集束素子の使用を説明する。

米国特許出願第４，２４３，８８８号は、レーザービーム路に配置される検出器ディスクを有する、レーザービーム配列についてのシステムを説明する。入射されるレーザービームは、パルス熱拡散によって誘起される圧力信号を産する検出器内に熱電効果を作る。圧力信号は短い時間で収集され、統合されてビームの位置を決定し、必要に応じてこの位置を修正する。米国特許出願第４，２４３，８８８号は、レーザービーム光のプロファイルを検討する装置もしくは方法を提供しない。

従来技術の方法およびシステムにおける問題は、これらが、レーザービーム路に直接配置された薄膜検出器もしくは検出システムを組み込む時に、実際の高出力レーザーシステムにおける検出を可能にしないことである。さらに、システムのうちのほとんどは、これらが、レーザーの出力パワーの監視すること、もしくはレーザービームを配列する手段を提供することのみを可能にするという、不利な点を有する。

発明の概要
本発明の目的は、光パワーもしくはレーザービームのエネルギーを、その時間的進化と共に監視／記録し、レーザービームの空間プロファイルを、その時間的進化と共に監視／記録する方法およびシステムを提供することである。

上述の目的は、本発明にしたがった方法および装置によって達成される。
本発明は、高出力光ビームを特徴づける検出器であって、前記検出器は少なくとも１つのピクセルを含み、前記少なくとも１つのピクセルのそれぞれは、
前記高出力光ビームの少なくとも部分である入射光ビームを吸収距離Ｌにわたって大幅に吸収するよう構成された、ドープされた半導体基板であって、前記半導体基板は熱電気的性質を有し、前記ドープされた半導体基板は半導体基板の厚さの少なくとも部分にわたってドープされる、半導体基板と、
前記入射光ビームを前記ドープされた半導体基板に受けるため、ドープされた半導体基
板の第１の側に窓の開口部が備えられるように、ドープされた半導体基板を部分的に覆う手段と、
前記ドープされた半導体基板の前記第１の側の第１の電極と基準電極とを含む前記ドープされた半導体基板内に、熱電効果によって引き起こされる電気信号を測定する手段であって、前記基準電極は前記窓の開口部および前記吸収距離Ｌによって決定される吸収ボリューム外に配置される、手段と、
を含む検出器に関する。

ドープされた半導体は、半導体基板の厚さ全体にわたってドープされてもよい。吸収距離Ｌは、吸収長Ｌ_ａｂｓおよび基板の吸収部分の厚みの最小値であり、検出器内で用いられる吸収法則は、自由キャリア吸収プロセスでもよい。

検出器は、クロストークを低減する手段を含んでもよい。クロストークを低減する手段は、少なくとも５％実用レベルを下回るようクロストークを低減するよう構成された、前記複数のピクセルのうちの近くのピクセル間のクロストークを低減する手段でもよい。。クロストークを低減する手段は、少なくとも５％実用レベルを下回るようクロストークを低減するよう構成された、前記複数のピクセルのうちの任意のピクセル電極と基準電極との間のクロストークを低減する手段でもよい。

クロストークを低減する手段は、少なくとも２つのピクセルの間の冷却チャネルを含む。冷却チャネルは、貫通深さＬ_ａｂｓの少なくとも１５％であり、好ましくは少なくとも２５％であり、より好ましくは少なくとも５０％である深さを有する。

クロストークを低減する手段は、前記半導体基板によって決定される平面の外側に配置されるてもよい。

クロストークを低減する手段は、前記半導体基板と熱接触するよう提供されるヒートシンクを含んでもよい。さらに、反射面がヒートシンクに隣接して提供する。

クロストークを低減する手段は、窓の開口部の周囲に配置される反射器材料から含んでもよい。

ドープされた半導体基板および前記吸収距離Ｌを部分的に覆う手段は、

が０．１から１００の範囲にあるように調整されてもよい。式中、Ｐ_{ｐｉｘｅｌ}はピクセル窓の周辺であり、Ｓ_{ｐｉｘｅｌ}はピクセル窓の表面積である。

高出力の光ビームを特徴づけることは、ビームの、空間的および／または時間的強度プロファイル、空間的および／または時間的エネルギープロファイル、空間的および／または時間的エネルギー密度プロファイル、もしくは空間的および／または時間的パワープロファイルのうちの任意を検出できる。

前記第１の電極は、少なくとも窓の開口部の周辺を規定してもよい。前記第１の電極は、窓の開口部にわたって伸びる、少なくとも１つの細長い電極を含んでもよい。前記第１
の電極は、前記ドープされた半導体基板から、絶縁層によって、少なくとも部分的に分離されてもよい。前記第１の電極はさらに、前記絶縁層の上側に堆積される導線および接着パッドを含んでもよい。

吸収距離Ｌの調整は、前記ドープされた半導体基板のドーピングレベルを調整することによって行われてもよい。

複数のピクセルから構成される検出器において、各ピクセルは平均ピクセル窓幅ｗを有するピクセル窓を有し、ピクセルは少なくともピクセル間ピッチＰで分離され、前記ピクセル間ピッチＰは平均ピクセル窓幅ｗの１倍から１０倍の間であり、好ましくは平均ピクセル窓幅ｗの１．５倍から８倍の間であり、より好ましくは平均ピクセル窓幅ｗの１．５倍から５倍の間であり、さらにより好ましくは平均ピクセル窓幅の１．５倍から４倍の間である。

前記検出器の操作は、光ビームの強度を測定する強度測定モード、光ビームのエネルギーを測定するエネルギー測定モード、光ビームのパワーを測定するパワー測定モードの中から、吸収距離Ｌおよび用いられる窓の開口部を調整することで、選択されてもよい。

第１の電極のそれぞれにおいて、スイッチおよび記憶手段が、ピクセル情報を一時的に記憶するために備えられてもよい。

検出器はさらに、通常のモーメントで、電気検出器出力の時間進化をサンプリングし、サンプリングされたアナログ電圧をデジタル信号に変換するよう調整された、読み出し電子回路を含んでもよい。前記読み出し電子回路は、検出器出力の時間における最大を検出し、これらのサンプリングされたアナログ電圧をデジタル信号に変換するよう調整されてもよい。

前記第２の電極は、完全にドープされた半導体基板の第２の側に配置され、第１および第２の側は相互に向かって反対側にあってもよい。 本発明は、高出力光ビームを特徴づける検出器に関し、前記検出器は少なくとも１つのピクセルから構成され、前記少なくとも１つのピクセルのそれぞれは、少なくとも前記高出力光ビームの部分である入射光ビームを、吸収距離Ｌにわたって、大幅に吸収するよう構成されたドープされた半導体基板から構成され、前記半導体基板は熱電気的性質と、前記ドープされた半導体基板における熱電効果によって誘起された電気信号を測定する手段とを有し、前記手段は、前記ドープされた半導体基板の第１の側に窓の開口部が備えられ、前記ドープされた半導体基板において前記入射光ビームを受けるようにドーピングされた半導体基板を部分的に覆い、前記手段は、前記ドープされた半導体基板の前記第１の側の第１の電極と、前記窓の開口部と前記吸収距離Ｌとによって決定された吸収ボリュームの外に配置された基準電極とを含む。ドープされた半導体基板および前記吸収距離Ｌを部分的に覆う手段は、

が０．１から１００の範囲にあるように調整してもよい。式中、Ｐ_{ｐｉｘｅｌ}はピクセル窓の周辺であり、Ｓ_{ｐｉｘｅｌ}はピクセル窓の表面積である。前記ドープされた半導体基板の光ビームの吸収長Ｌ_ａｂｓは、さらに調整されて、前記窓の開口部における前記ドープされた半導体基板の表面の温度を、最大温度よりも下に保持し、前記吸収長Ｌ_ａｂｓは
、

によって制約され、式中、Ｋは比例係数であり、ｔ_{ｐｕｌｓｅ}はパルス幅であり、Ｗ_０は入射レーザー強度であり、Ｃはドープされた半導体基板の熱容量である。前記ドープされた半導体基板における光ビームの吸収距離Ｌは、さらに調整されて、前記窓の開口部での前記ドープされた半導体基板における表面の温度を最大温度より下に保持し、前記吸収長Ｌ_ａｂｓは

によって制約され、式中、Ｋは比例係数であり、Ｗ_０は入射レーザー強度であり、Ｌ_ｂｅａｍとＬ_ｐｉｘはレーザービーム幅およびピクセル要素の窓幅である。比例係数Ｋは０．１から１０の範囲にあり、好ましくは０．３から７の範囲にあり、より好ましくは０．５から５の範囲にあり、さらにより好ましくは０．５から３の範囲にある。前記高出力光ビームを特徴づけることは、高出力光ビームの、空間強度プロファイル、空間エネルギープロファイル、空間エネルギー密度プロファイル、もしくは空間パワープロファイルを検出することのうちの任意のものでもよい。第１の電極は、少なくとも窓の開口部の周辺によって規定されてもよい。第１の電極はさらに、窓の開口部にわたって伸びる少なくとも１つの細長い電極を含んでもよい。第２の電極は、ドープされた半導体基板の第２の側に配置され、第１および第２の側は相互に反対側にあってもよい。第１の電極は、少なくとも部分的に、前記ドープされた半導体基板から、絶縁層によって分離される。第１の電極はさらに、前記絶縁層の上面に堆積される導線および接着パッドを含んでもよい。反射上面層が前記窓の開口部の外側に提供されてもよい。反射上面層は第１の絶縁層の上面に提供され、全ての金属導線から補助的に隔離されてもよい。反射上面層と組み合わされる第２の絶縁層が、接着パッドと検出器開口を除いて、第１の絶縁層と全ての金属導線の上面に提供されてもよい。第３の一連の電気接点が提供され、この一連の接点が入射レーザービームに直接露出されない基板のこれらの部分の光誘起の温度分布を感知するよう、光がこれらの接点の近くから直接入射しないよう、反射層もしくは吸収層によって覆われる。吸収距離Ｌの調整は、前記ドープされた半導体基板のドーピングレベルを調整することによって行われてもよい。検出器は、複数のピクセルを含み、各ピクセルは平均ピクセル窓幅ｗを有するピクセル窓を有し、ピクセルは少なくともピクセル間ピッチＰで分離され、前記ピクセル間ピッチＰは、平均ピクセル窓幅ｗの１倍から１０倍の間であり、好ましくは平均ピクセル窓幅ｗの１．５倍から８倍の間であり、より好ましくは平均ピクセル窓幅ｗの１．５倍から５倍の間であり、さらにより好ましくは平均ピクセル窓幅の１．５倍から４倍の間である。ピクセル間ピッチＰは充分に大きく、異なるピクセル間の著しいクロストークを防ぐことが可能である。少なくとも２つの前記複数のピクセルの間に、冷却チャネルが提供されてもよい。冷却チャネルは、吸収距離Ｌの少なくとも１５％、好ましくは少なくとも２５％、より好ましくは少なくとも５０％である深さを有してもよい。検出器はさらに、係数５で、好ましくは係数１５で、より好ましくは係数２５で、クロストークを低減するよう構成された、前記複数のピクセルの近くのピクセルの間のクロストークを低減する手段を含んでもよい。クロストークの量は、それによって、近くのピクセルの測
定された信号に対して表される。クロストークを低減する方法は、ピクセルの間の冷却チャネル、ピクセル以外の範囲の上面の反射フィルム、曲線因子を低減するためにピクセル範囲を覆う手段、基板下部のヒートシンクでもよい。前記検出器の操作は、光ビームの強度を測定する強度測定モード、光ビームのエネルギーを測定するエネルギー測定モード、吸収距離Ｌと用いられる窓の開口部とを調整することにより光ビームのパワーを測定するパワー測定モードの中から選択されるでもよい。複数のピクセルが配列状に配置されてもよい。複数のピクセルはピクセルの縦列ｍと横列ｎを有するｍ×ｎのマトリクス状に配置される。第１の電極のそれぞれにおいて、スイッチおよび記憶手段が、ピクセル情報の一時的な記憶のために提供されてもよい。検出器システムはさらに、通常のモーメントで電気検出器出力の時間進化をサンプリングし、サンプリングしたアナログ電圧をデジタル信号に変換するよう構成された読み出し電子回路を含む。読み出し電子回路は、検出器出力の時間における最大を検出し、これらのサンプリングされたアナログ電圧をデジタル信号に変換するよう調整されてもよい。パルス幅と窓の開口部によって影響される、考察中の光学スペクトルについての光透過深さは、入射レーザービームの最大光パワー密度における基板内部の最大許容の格子温度が達成されないようなものでもよい。電気信号を測定する手段により測定される電気信号は、第１の一連の電極の第１の接点と第２の一連の電極の第２の接点との間に生じる電圧であってよく、光吸収プロセスにより前記接点間の光誘起の温度プロファイルに関係する。したがって、幾何学的制約を有し、熱電気的性質を有する、ドープされた半導体基板は、高い光パワーレーザービームのビームパラメータを電気信号に変換するために用いられる。

本発明はまた、光ビームサンプリング手段および検出器から構成される光ビーム生成手段の出力を監視するシステムに関し、これにより前記光ビームサンプリング手段は光ビームを第１の小さな部分と第２の大きな部分に分配するよう構成され、これにより前記光ビームの前記第１の小さな部分は、上述のように検出器の方向に向けられる。ビームサンプリング手段はミラーであってよく、前記ミラーは通常の周期で光ビームを分配するように、回転可能に取り付けられる。

本発明はさらに、光ビームのプロファイルを監視する方法に関し、前記方法は、前記光ビームを監視のための第１の部分および適用に用いるための第２の部分に分配するステップと、前記光ビームを検出器の方向へ向けるステップと、光ビームの部分の断面のいくつかのポイントにおいて前記検出器を用いて測定するステップと、複数の電気信号を得るステップと、前記光ビームの空間強度プロファイルを示すステップとを含む。前記検出器を用いて、光ビームの部分の断面のいくつかのポイントにおいて測定することは、上述のような少なくとも１つの単一ピクセル検出器を、続いて光ビームの部分の断面の他のポイントにずらし、測定を記録することで行われてもよい。

光ビームの部分の断面のいくつかのポイントで前記検出器を用いて測定することは、上述のように複数のピクセル検出器と同時に、光ビームの断面のいくつかのポイントを測定することによって行われてもよい。パルス幅を有する光ビームおよび、強度測定モード、エネルギー測定モード、もしくはパワー測定モードで測定することができる検出器について、方法は、強度測定モード、エネルギー測定モード、エネルギー密度モードもしくはパワー測定モードで測定するために、前記光ビームのパルス幅を設定することを含んでもよい。強度測定モードにおいて、検出システムの出力は、光ビームの強度に対応し、エネルギー測定モードにおいて、検出システムの出力は、光ビームのエネルギーに対応し、エネルギー密度測定モードにおいて、検出システムの出力は、光ビームのエネルギー密度に対応し、パワー測定モードにおいて、検出システムの出力は、光ビームのパワーに対応してもよい。

本発明は、高出力の光ビームを特徴づける検出器にさらに関し、前記検出器は少なくと
も１つのピクセルを含み、前記少なくとも１つのピクセルのそれぞれは、前記高出力光ビームの少なくとも部分である入射光ビームを、吸収距離Ｌにわたって大幅に吸収するように調整された、ドープされた半導体基板を含み、前記半導体基板は、熱電特性および、前記ドープされた半導体基板における熱電効果によって誘起される電気信号を測定する手段を有し、前記手段は、前記ドープされた半導体基板内に前記入射光ビームを受けるために窓の開口部が備えられるように、ドープされた半導体基板をさらに部分的に覆い、前記窓の開口部のサイズおよび前記浸透深さＬ_ａｂｓは

が０．１から１００の幅の中にあるように調整され、式中Ｐ_{ｐｉｘｅｌ}はピクセルの周辺であり、Ｓ_{ｐｉｘｅｌ}はピクセルの表面積である。従属項および上述の検出器における異なる特徴は、必要に応じて、この検出器に適用してもよい。

本発明は、高出力光ビームを特徴づける検出器にさらに関し、前記検出器は少なくとも１つのピクセルから構成され、前記少なくとも１つのピクセルのそれぞれは、高出力光ビームの少なくとも部分である入射光ビームを、吸収距離Ｌにわたって、大幅に吸収するよう構成されたドープされた半導体基板から構成され、前記半導体基板は、熱電特性および、前記ドープされた半導体基板の第１の側における第１の電極と前記ドープされた半導体基板の第２の側における基準電極とから構成される前記ドープされた半導体基板において熱電効果によって誘起された電気信号を測定する手段を有し、第１および第２の側は相互に反対側にあり、前記手段はさらに、前記ドープされた半導体基板内に前記入射光ビームを受けるために、前記ドープされた半導体基板の第１の側に窓の開口部が備えられるように、ドープされた半導体基板を部分的に覆う。

上述の方法、検出器および検出システムはまた、高出力放射線ビームを特徴づけるために適用してもよく、高出力光ビームに限定されない。

本発明の利点は、検出システムおよび方法が、幅広いレーザーシステムについて用いられ、ナノ秒の域のパルスを有する大変短いパルスレーザーシステムから連続波レーザーシステムまで及ぶことができることである。

本発明の特定の実施形態の利点は、ピクセル間の熱的クロストークがユーザによって決定された実用レベルに限定されることができることである。

本発明のさらなる利点は、ピクセル構成および／または光ビームの特性を調整することにより、検出システムの測定モードのタイプの選択がされることである。

本分野における装置および方法の、不断の改良、変更および進化があったが、本概念は、従来の習慣からの脱却を含む、実質的に新しい新規の改良を示し、結果として、より効果的で、安定し、信頼できるこの種の装置を提供すると信じられる。

本発明の教示は、高出力レーザービームの光パワーもしくはエネルギーを、時間的進化および／または空間プロファイルとともに測定する、改良された方法および装置の設計を可能にする。

本発明のこれらおよびその他の特徴、特性および利点は、例として本発明の原則を図解する添付の図面とともに考慮される、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。この説明は、例示のみを目的として与えられ、本発明の範囲を何ら限定するものではない。以下に引用される参照図面は、添付の図面に言及する。

異なる図面において、同じ参照記号は同じもしくは類似する要素に言及する。

実施形態の説明
本発明は、特定の実施形態に関して、またいくつかの図面を参照して、説明されるであろうが、本発明はそれに限定されず、請求項のみによって限定される。説明される図面は、概略的なものでしかなく、限定するものではない。図面において、要素のうちのいくつかのものの寸法は、説明のため、誇張され、寸法通りに描かれないかもしれない。

さらに、説明および請求項における、第１、第２、第３などの用語は、同様の要素の間で区別するために用いられ、必ずしも連続的もしくは時間的な順番を説明するために用いられるわけではない。このように用いられる用語は、適切な状況下で交換可能であるということが、また、ここに説明される本発明の実施形態が、ここに説明され、もしくは図解される順番とは異なる順番で運用可能であるということが、理解されるべきである。

さらに、説明および請求項における、上部、下部、上の、下の、などの用語は、便宜的に用いられ、必ずしも相対位置を説明するために用いられるわけではない。このように用いられる用語は、適切な状況下で交換可能であるということが、また、ここに説明される本発明の実施形態が、ここに説明され、もしくは図解される方向とは異なる方向で運用可能であるということが理解されるべきである。

請求項において用いられる「から構成される」の用語は、その後に挙げられる手段に限定されるものと理解されるべきではないことに気づくべきである；これは他の要素もしくは段階を排除しない。したがって、「ＡおよびＢの手段から構成される装置」の表現の範囲は、構成要素ＡおよびＢのみから成る装置に限定されるべきではない。これは、本発明に関して、装置に関する構成要素はＡおよびＢのみであることを意味する。

同様に、請求項においてまた用いられる「結合する」の用語は、直接の接続のみに限定されると理解されるべきではないことに気づくべきである。したがって、「装置Ｂに結合する装置Ａ」の表現の範囲は、装置Ａの出力が装置Ｂの入力に直接接続される装置もしくはシステムに限定されるべきではない。これは、Ａの出力とＢの入力との間に、他の装置もしくは手段を含む経路であるかもしれない経路が存在することを意味する。

本発明が、高出力光線の特性について説明されたが、方法およびシステムはまた、多数のその他の種類の放射の特性について適用されることができる。

第１の実施形態において、本発明は、検出する方法と、高出力の入射放射線ビームの光パワーを測定する検出システムとに関する。図１は、本発明の原理にしたがって構成された第１の実施形態についての光電子装置１００の部分の断面図を図解する。装置１００は、とりわけ入射する束状態の光線もしくは入射するレーザービームなどである光線などの、入射する放射線ビーム１５０に露出される、ドープされた半導体基板１２０上の窓の開口部１１０から構成される。放射線ビームは、パルス放射線ビームもしくは連続放射線ビームであるだろう。入射光は、たとえば可視光、遠赤外線、近赤外線、もしくは紫外線の波長などの、任意の波長であるだろう。通常、入射光１５０は、空気から装置１００に入り、基板１２０に急激に吸収される。この光吸収は、基板１２０内に熱もしくは温度差を
生じる。光ビームがサンプル内を伝播するにつれ、基板内のより深くにおける光パワーが、その局所的な吸収によって急激に低下し、このことは、基板１２０内のより深くにおける局所温度上昇の低下につながる。電子／ホール内の誘発された温度勾配は、および／または、入射照明された範囲に近いポイントと入射照明された範囲から充分に離れたポイントとの間のフォノン温度分布は、ゼーベック効果によって、電圧出力、すなわち電圧ステップを生じる。

装置内で生じた電圧は、たとえば接地電位であってよい基準電極とも称される出力電極１４０と、出力電極１４５とを用いて測定されることができる。ドープされた半導体基板１２０との短絡を防止するため、絶縁層１３０が備えられる。

ドープされた半導体基板１２０は、任意の半導体基板であるだろう。単結晶の半導体基板は通常、ほぼ１ｍＶ／Ｋ程度の、ゼーベック係数とも称される熱起電力係数を有する。本発明における半導体基板１２０はたとえば、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂであるだろうが、これに限定されない。このような半導体基板１２０の一般的な厚さは、１００から５００μｍであるだろうが、これに限定されない。

導電性電極１４０および１４５は、金属電極などの任意の電極であってよい。電極は、比較的耐熱性の材料で作られることが好ましく、たとえば電極金属の融点は高いことが好ましい。金属電極は一般的に、０．１ミクロンから数ミクロンの厚さを有する。

入射光１５０は、いくつかの方法、すなわちたとえば振動励起もしくは自由キャリア吸収などの電子励起を通じて、発色団もしくは欠陥を介して、帯間遷移によって、半導体基板１２０に吸収されることができる。ほとんどの場合、最も重要な光吸収機構は、自由キャリア吸収に基づくであろう。自由キャリア吸収による光吸収は、フォノン、不純物、その他の欠陥などの第３の「粒子」と相互作用することによってのみ行われることができる。多様な自由キャリア吸収プロセスのうち、以下の主要な機構を区別することができる：谷間かつ等価および不等価の谷間吸収機構である。室温での最も重要な谷内機構は、（熱）極性光学フォノンおよび不純物支援吸収である。重要ではない寄与は、音響および非極性支援吸収に由来する。谷間吸収機構は谷間フォノンによって支援される。たとえばＧａＡｓなどの多谷半導体について、以下の谷間遷移を考慮する必要がある：Γ−Ｌ、Ｌ−Γ；Γ−Ｘ、Ｘ−Γ；Ｌ−Ｘ、Ｘ−Ｌなどの非等価遷移と、Ｌ_ｉ−Ｌ_ｊ、Ｘ_ｒ−Ｘ_ｓなどの等価遷移である。谷間遷移１５２、１５４のうちのいくらかと、谷間遷移１５６のうちのいくらかは、図２に図解される。当業者にとって、用いられる検出器の原則、したがって本発明の検出器システムが、起こる光吸収プロセスのタイプによって限定されないことが明白であろう。半導体基板１２０のドーピングレベルは、本発明の関連する適用について吸収係数が最適化されるように、調整されることが好ましい。ドーピングレベルの選択は、得られるべき吸収係数にしたがって、当業者によって容易に行われることができる。光パワーレベルおよびパルス幅に依存して、吸収長の典型的な範囲は２０から１０００μｍの間である。最も短い吸収長は、最も低い光熱インパクトを用いる適用について選択され、逆もまた同じである。たとえば、ｎ型ＧａＡｓおよび１０．６μｍの赤外線波長について、対応するドーピング濃度は１×１０^１７から５×１０^１8ｃｍ^−３の範囲にある。最も高いドーピング濃度は、最も短い吸収長に対応する。

基板−空気の接触面に対して法線方向である伝播方向に沿った光パワーの急激な衰退は、図１に曲線１６０によって概略的に図解される。伝播方向Ｚに沿った各座標ｚにおいて、自由電子吸収の場合の局所の電子温度とフォノン温度が、吸収プロセスによって確立される。両方のタイプのキャリアが存在することは検出器の感度を大幅に低下させるため、電子だけかホールだけかの１タイプのみのキャリアが存在することが、強く推奨される。以下では、自由電子を有するｎ型半導体に焦点が当てられる。しかしながら、同じことが
、自由ホールを有するｐ型半導体にも当てはまり、本発明はしたがって、ｎ型半導体に限定されない。初めは電子温度のみが上昇する。少しして電子とフォノンとの交換があると、フォノン温度もまた上昇する。基板内の確立された３Ｄ温度プロファイルは、粒子のドリフトおよび拡散のプロセスと、温度勾配の存在との結果である。自由電子温度およびフォノン温度の分布は、それぞれ曲線１７０と１８０によって図式化されている。フォノン温度の上昇時間よりも短い時間について、自由電子とフォノンの温度はそれぞれ異なる。均衡が達成された後、電子温度とフォノン温度の両方は等しい。粒子のそれぞれについて、すなわち電子とフォノンについて、温度勾配が局所吸収プロセスによって引き起こされる。電子温度プロファイル内の勾配によって熱電磁印加電圧差が生じ、この現象はゼーベック効果と称される。基板内を電流が流れることができない場合、自由電子加熱によって熱電圧が誘起される。最も単純な場合において、これは以下のように表される：

式中、σ（Ｔ_ｅ）は温度Ｔ_ｅにおける電気伝導率であり、ψ−ζ／ｑは純粋な電気部分ψと純粋な化学部分ζ／ｑとを有する電気化学ポテンシャルと称され、ここでｑは電子電荷であり、η（Ｔ_ｅ）は温度Ｔ_ｅにおける熱電係数である。∇Ｔ_ｅは、局所吸収プロセスによって誘起される電子温度勾配である。

サンプル全体にわたる電圧はそこで、以下の方法で表されることができる：

式中、α（Ｔ_ｅ）＝η（Ｔ_ｅ）／σ（Ｔ_ｅ）は熱起電力（ｅ．ｍ．ｆ）差係数もしくはゼーベック係数を表す。このゼーベック係数は、加熱プロセスに寄与する全ての伝導帯谷に基づいて計算される必要があることに気づくことが重要である。ｐ型半導体の場合、全ての価電子帯谷（重いホール、軽いホール、およびスピンスピリットオフ帯）が考慮される必要がある。

１実施例として、多谷自由電子吸収の場合における熱起電力差αの係数の総価値は、以下の式によって与えられる：

式中、σ_{Г，Ｌ，Ｘ}は電子伝導率であり、α_{Г，Ｌ，Ｘ}はそれぞれ、Г、ＬおよびＸの谷における熱起電力差の係数である。

式［２］を解くために、電子／ホールおよびフォノンの温度分布を知る必要がある。基板におけるフォノン温度Ｔ_Ｌの分布を見つけるべく、格子熱伝導率の等式が解かれる

式中、ｔは時間であり、ｘ、ｙ、ｚは空間座標であり、χは熱伝導率係数であり、Ｃは熱容量係数であり、Ｐ（Ｔ_ｅ，Ｔ_Ｌ）は電子温度Ｔ_ｅについて加熱された電子ガスによって格子に伝達されたパワーである。

電子／ホール熱伝導率の影響を無視すると、以下の関係を記載することができる：

式中、α_ｅは電子についての電磁波吸収係数であり、Ｗは基板内部の電磁波強度である。入射レーザービームによって生じる熱電圧は、図３に示すように、接地電位である出力１４０と、出力１４５との間でそれぞれ感知されることができる。基準電極とも称される出力電極１４０が前記検出器の吸収ボリューム外に配置されることに留意すべきである。基板１２０がドープされ、したがって伝導特性を有すると、絶縁層１３０が提供されて、たとえば金属層１４５である出力コネクタ導電層１４５と基板１２０との間の短絡を防止する。絶縁層１３０に用いられる材料は典型的に、基板にほとんど格子整合するドープされない半導体層（たとえばＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ層、もしくはＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓ層）、もしくはＡｌ_２Ｏ_３層、Ｓｉ_３Ｎ_４層などであるだろう。

基板内の光強度Ｗに対して出力電圧Ｖを計算することにより、この検出器のｍＶ．ｃｍ^２／ｋＷで表される感度Ｓ_ｈｅａｔを導き出すことができる。上述の等式のより詳細な演繹、およびこれらの等式における係数のより完全な説明は、Ｇ．Ｓｈｋｅｒｄｉｎ、Ｊ ＳｔｉｅｎｓおよびＲ．Ｖｏｎｃｋｘにより、たとえばＥｕｒｏｐｅａｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｊｏｕｒｎａｌ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， １９（１）巻、２９−３８ページ（２００２年）、Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｊｏｕｒｎａｌ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， １２（３）巻、１６９−１８０ページ（２００）、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ８５（７）巻、３８０７−３８１８ページ（１９９９年）、Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， ８５（７）巻、３７９２−３８０６ページ（１９９９年）に説明され、またＥ．Ｄｒｉｅｓｓｎｓ、Ｊ．Ｓｔｉｅｎｓ、Ｇ．Ｓｈｋｅｒｄｉｎ、Ｖ．ＫｏｔｏｖおよびＲ．ＶｏｕｎｃｋｘによってＴｈｅｒａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＩＣｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ の第９回ワークショップ、ＴＨＥＲＭＩＣＳ（エクサンプロヴァンス、フランス、２００３年９月２４日−２６日）会報に説明されるように、自由電子吸収についての対応する量子力学モデルの説明に見ることができる。

速い電子温度勾配と共に得られる典型的な感度は、およそ３．０ｍＶ．ｃｍ^２／ＭＷであり、フォノン温度勾配と均衡のとれた電子温度勾配について、この感度はおよそ１０００倍大きいが、検出器の応答時間はより遅い。提案される検出器の等価回路は、パルス特性および検出器形状に依存して、入射するレーザービーム１５０の光パワーもしくはエネルギーと直接接続される開放回路電圧Ｖ_ｔ，ＯＣによって、図３に図解される。回路の内部抵抗は、抵抗１９５によって示される。

任意の接点からの電圧出力は、前記接点の近くの光誘起の表面温度を反映する。この温度もしくは対応する電圧の時間的進化は、基板１２０およびレーザーパルス特性によって
決定される。

検出器出力のタイプ、したがって得られる情報は、レーザーパルス持続時間と検出器の様々な時定数との間の比率によって決定される。本発明の検出器の以下の時定数は重要である：電子加熱時間、電子エネルギー緩和時間τ_ｅおよび格子熱反応時間τ_ｓｕｂ。

電子の加熱は、産業的適用に関してほぼ瞬間的なものである。たとえば、ｎ型ＧａＡｓの場合、この加熱時定数はほぼ１００ｆｓ程度である。したがって、電子温度は、入ってくる光強度にすぐに続く。この時定数は本発明ではさらに考察されない。

電子エネルギー緩和時間τ_ｅは、定値ではないが、ドーピング濃度および入射光強度などの材料パラメータに依存する。たとえばｎ型ＧａＡｓについて、この時定数は典型的にほぼ数ｐｓ程度である。いくらかの電子エネルギー緩和時定数よりも長い入射レーザーパルスについて、検出器の電圧出力は、レーザー強度の時間的進化に直接関係するであろう。この場合、格子温度はほとんど影響を受けない。レーザーパルスが次第に長くなる時、電子ガスのエネルギーは、たとえばｎ型ＧａＡｓ格子などのドープされた半導体の格子に次第に伝達され、結果として格子温度を次第に上昇させる。所与のレーザーパルス長について、電子温度と格子温度の両方が同程度の規模を有するであろう。これは、混合電子格子効果の領域である。両方の温度が等しくなるパルス幅は、τ_，ｍｉｘと称され、数式［６］によって規定される一次近似にある：

この数式は、この時定数τ_，ｍｉｘがドーピング濃度Ｎに依存するが光強度に依存しないことを示す。たとえば、１０^１８ｃｍ^−３の範囲のドーピング濃度について、両方の温度が等しくなるパルス幅、すなわちτ_ｍｉｘは、およそ１００ｎｓである。しかし、高い光強度について、τ_ｍｉｘについての数式（６）は非線形効果について修正されるべきであり、したがって数式［７］に示されるように読める

式中、δｔ_ｅは光吸収プロセスによる電子温度の上昇である。数値シミュレーションは、ドーピング濃度間隔０．７×１０^１８−４×１０^１８ｃｍ−^３内で、強度が低いレベルからおよそ１００ＭＷｃｍ^−２へ変動する時に、値τ_ｍｉｘが３２５−４０の範囲から１００−１０ｎｓへ落ちうることを示す。

τ_ｍｉｘよりも長いパルスについて、検出器はエネルギーメータとして挙動する、すなわち、検出器の電圧出力は入射レーザー強度の積分である。この挙動は、パルス時間が、照射範囲の熱応答時間に関連する時定数よりも短い限り、続くであろう。照射範囲の熱応答時間に近づくパルス長さは、熱伝導率による格子温度上昇を低くすることを次第にもたらすであろう。

τ_ｓｕｂによって注釈される、照射基板範囲１１０の熱応答時間は、以下の数式［８］に説明される

式中、Ｃは熱容量であり、χは基板材料の熱伝導率である。Ｌ_ａｂｓ、Ｌ_ｂｅａｍ、Ｌ_ｐｉｘはそれぞれ、基板内の吸収長、レーザービーム幅、ピクセル要素の窓幅である。βはほぼ１程度でパルス特性とピクセル形状の詳細に依存する、形状数値係数である。材料のみに依存する第１の２つの時定数と対照的に、τ_ｓｕｂは形状にもまた依存する。検出器のダイナミックレンジを増加させるために、部分的に吸収する半導体基板が用いられるであろうことに留意すべきである。ダイナミックレンジはそこで、吸収ゾーン／吸収長Ｌ_ａｂｓの比率厚に急激に依存する。照射基板範囲１１０の熱応答時間よりも短いが、τ_ｍｉｘよりも長いパルスについて、最大電圧出力、およびしたがって、最大表面温度Ｔ_{ｓｕｒｆａｃｅ，ｍａｘ}は、数式［９］に与えられるようにレーザーのパルス幅ｔ_{ｐｕｌｓｅ}に比例し、ピクセル範囲に依存しない。

比例定数Ｋはしたがって、０．１から１０の範囲にあり、０．３から７の範囲にあることが好ましく、０．５から５の範囲にあることがより好ましく、０．５から３の範囲にあることがより一層好ましい。ここでＷ_０はレーザービームの強度である。このエネルギー運転領域についての上限が時定数τ_ｅｒｇ＝τ_ｓｕｂ／γによってほぼ与えられるということを示すことができるであろう。係数γは、数値計算により決定され、大体１０から１００の間で変動する。エネルギー測定の領域を拡げるため、すなわちτ_ｅｒｇを可能な限り大きくするため、大きな吸収長および大きなピクセルサイズについて得られる小さなγ値と組み合わされた小さなτ_ｓｕｂ値が必要である。

温度はピクセルの中心か、もしくはピクセルの中心から距離Ｒだけさらに離れたところで感知されることができる。少なくともピクセル２つ分の距離だけさらに離れたところで感知された、もしくは、たとえば周辺電極を有するピクセル範囲の中心からビーム半径だけ離れたところで感知された温度は、ピクセル範囲内に入射する全エネルギーに直接関係し、したがって、これらの温度はパルス幅およびレーザービーム範囲に比例する。係数Ｆ（Ｒ）は、周辺電極の半径への依存を表す係数である。

表１は、サイズのみが異なる、すなわち異なる半径を有するレーザービームについて、中心電極および周辺電極の両方についての相対温度上昇を含む。検討されるパルスは、４００μｍの直径を有する感知装置上の３００ｎｓ長の入射である。相対温度上昇は、最も小さいレーザービームに関して表される。この表は、周辺における相対温度上昇がほとんど完全に面積比に関連する一方で、ピクセル中心での相対温度上昇がビームサイズに依存しないことを示す。

言い換えると、用いられる上部電極を適切に設計することで、異なるタイプの情報を得ることができる。タイミングパラメータτ_ｍｉｘとτ_ｅｒｇの間のパルス長について、ピクセルの中心接点について得られた情報は、ピクセル中心に入射するエネルギーであり、一方で、ピクセル中心からさらに離れた周辺接点は、ピクセルに入射する全エネルギーを測定することを可能にする。ピクセル中心におけるエネルギー測定は、信号を識別した後、ピクセル中心における強度の時間進化についての情報を得ることを可能にする。このタイプの接点を用いて、同じ最大強度を有するが異なるビーム直径を有するビームの出力は常に同じであり、一方で、測定が同じ全エネルギーを有するが異なる最大強度を有するビームを識別することを可能にする。周辺電極を用いることで得られる全エネルギー測定は、信号を識別した後で、ピクセルにおける平均強度の時間進化に関する情報を得ることを可能にする。周辺電極を用いることは、同じ最大強度を有するが異なる全エネルギーを有するビームの間で識別することを可能にする。熱応答時間τ_ｓｕｂよりも大幅に長いパルスについて、最大出力はパルス幅に依存せず、以下の式から推測できる

パワー測定の領域と称されるこの領域は、τ_ｐｏｗ＝γτ_ｓｕｂより長いパルスについてほぼ有効であり、式中、γはエネルギー測定に関するものと同じ係数である。その意味で、γは以下のように規定される。

可能な限りパワー測定の領域を拡げるため、すなわちτ_ｐｏｗを可能な限り小さくするため、小さなγ値と組み合わされた最も小さなτ_ｓｕｂ値が必要である。τ_ｐｏｗの最も小さな値は、小さなピクセルと組み合わされた短い吸収長について得られる。パワーを感知する領域において、最大温度はピクセルサイズの拡大とともに上昇する。したがって、高い光パワー測定について、パワー領域の小さなパルスへの最大の拡大を支持するピクセルサイズを限定することが必要とされる。

τ_ｍｉｘとτ_ｅｒｇの間のパルス長を有するビームについてと同様に、τ_ｐｏｗより長
いパルス長を有する入射ビームが、特定の上部電極設計に依存して、異なる方法で特徴づけられることができる。中心接点を用いることは、ピクセル中心の局所パワー入射についての情報を得ることを可能にし、それにより、信号を識別することは、ピクセル中心におけるパワーの時間進化についての情報を得ることをさらに可能にする。周辺接点について、入射ビームの全パワーは測定され、識別することは、ピクセル内の全パワーの時間進化についての情報を得ることを可能にする。数値例として、ドーピング濃度Ｎ＝７×１０^１７ｃｍ^−３と対応する吸収長Ｌ_ａｂｓ＝２９４μｍを有し、半径２５μｍの円形ピクセルと、２次絶縁層の上面の反射Ａｕ層を有する、ｎ型ＧａＡｓ基板がある。β＝１．９およびγ＝４７を導き出すことができる。ピクセルサイズよりも大幅に大きな全レーザービームについて、方程式［８］が適用されて、ピクセルの時間応答、すなわちτ_ｓｕｂ＝９５μｓを決定することができる。τ_ｅｒｇ＝２μｓよりも短いパルスレーザービームについて、検出器ピクセルはエネルギーメータのように挙動し、レーザービームが４ｍｓよりも長い場合、ピクセルの電圧出力はレーザービームの光パワーの時間的進化に関係する。後者の場合、一連のピクセルは、最終的にはレーザービームの光パワーの時空間的進化を生じるであろう。言い換えると、本発明にしたがった検出システムおよび方法は、５つの異なる領域、すなわち３つの個々の領域と２つの混合した領域で、操作されることができる。感知器要素は、時間的強度プロファイリングの領域で、識別の後に時間的強度プロファイリングへ時間をもたらす時間的エネルギー測定の領域で、強度とエネルギー測定の組み合わせが作られ、それにより詳細なプロファイルが数値モデルを用いてのみ得られる混合した領域で、時間的パワー測定がなされる領域で、エネルギーおよびパワーの測定が組み合わされ、それによって詳細なプロファイルが数値モデルを用いてのみ回収される混合した領域で、測定することができる。エネルギー測定モード、パワー測定モード、強度測定モードなどの特定のモードが、研究されるべき光ビームの適切な量を直接得るために用いられることができ、もしくはこれらのモードの組み合わせが、広い測定範囲を得るために、すなわち、大変短い、すなわちピコ秒の範囲のパルスを有する光ビームについての情報を、連続波照明システムに提供することのできるシステムを得るために、用いられることができる。したがって、これらの測定が、およそ１Ｗｃｍ^−２から数ＧＷｃｍ^−２の光学的に高出力システムについてなされることができることは、本発明の特定の利点である。上述の等式に基づいて、検出器システムは調整されることができる、すなわち、特定の測定モードが光ビームの特定のタイプに用いられることができるように、たとえばピクセル構成を調整することにより、もしくは、光ビームのパルス幅は、それを特定のモードで所与の検出システムについて測定できるように、調整されることができる。

当業者は、検出器とピクセル出力、およびそれらの時間的挙動を、所与の検出器寸法（基板材料、窓の開口部、吸収長）およびビーム特性の第１の概算に基づいて、いかに解釈するかを理解するであろう。

第２の実施形態において、第１の実施形態に説明された感知装置要素についてのいくつかの好ましい構成が説明される。これらの好ましい構成は図４ａ、図４ｂ、図４ｃ、図４ｄに図解される。測定は典型的に、電気接点１４５と、たとえば検出器の吸収ボリューム外に配置される基準電極１４０との間でなされるが、検出器の下側の電極に限定されない。理想的には、ピクセルの金属接点１４５は、光学レーザー入力における障害を最小化すべく、最小サイズにされるべきである。しかし、小さな接点１４５は大きなシリアル抵抗１９５を導入することができる。最大抵抗は、読み出し電子機器の入力抵抗より大きくなるべきではない。両方の抵抗が等しい場合、検出器の感度は半減する。図４ａにおいて、ピクセルへの電気接点１４５がピクセルの周辺に沿って備えられる。絶縁層１３０が、金属層１４５とドープされた半導体基板１２０との間に部分的に備えられる。当業者にとって、ピクセルの形状が正方形である必要はないことは明らかであろう。これはまた、円形、長方形、さらには任意形状のピクセル窓であってよい。レーザービームおよびピクセルが最適に整列されると、最も高い温度勾配、したがって電圧出力が、ピクセルの中心に確
立されることが期待できる。したがって、図４ｂに図解される好ましい構成において、金属接点は１以上の指状突起１４６ａ、１４６ｂの形状である、すなわち、大きな長さ／幅比率を有し、ピクセル窓の中心を指す、細長い層である。検出器の製造中に、より多くの指状突起１４６ａ、１４６ｂを提供すると、光入力はより小さいが、１以上の指状接点が処理の後に依然として無傷である可能性がより高い。実用上の理由から、検出装置におけるピクセルの処理の間に通常提供される指状突起１４６ａ、１４６ｂの数は、およそ２から３である。絶縁層１３０が大部分指状突起の下に残ることが好ましい。他の好適な構成において、１以上の指状突起が、ピクセル窓の中心よりもむしろ、開放窓接点、たとえば開放円形接点に接続される。最大の光入力パワーが要求される場合、抗反射コーティング２１０が、図４ｃに図解されるように、ピクセルの窓の開口部に提供されてよい。抗反射コーティング２１０は、交互の屈折率を有する薄膜の堆積などの任意のタイプの抗反射コーティングであってよい。したがって、用いられる典型的な薄膜は、たとえばＺｎＳｅ、ＴｈＦ４、ＹＦ３、ＧａＡｓ、Ｇｅのコーティングである。代替的な設計において、相互から電気的に分離される、たとえば上述のように指状突起接点によって形成される局所電極１４７、および周辺接点１４８の両方が用いられる。後者は図４ｄに示され、たとえば中心電極および周辺電極である局所電極を有する単一のピクセルのレイアウトの上面図を示す。局所接点１４７はそこで典型的に、感知装置の中心もしくはその近くに備えられる。相互から分離された両方の接点１４７、１４８を備えることで、これらの接点１４７、１４８の一方を選択することで、もしくは局所電極１４７と基準電極、たとえば下側電極との間の電気信号、および周辺電極１４８と基準電極、たとえば下側電極１４０との間の電気信号の両方を測定することで、異なるタイプの情報が得られることができる。両方の電気信号は、入射ビームの異なるパルス長について第１の実施形態に説明されたような、入射ビームについての異なるタイプの情報の代表である。タイミングパラメータとτ_ｍｉｘのτ_ｅｒｇ間のパルス長について、ピクセルの局所接点１４７、たとえば中央接点について得られた情報は、接点が作られるピクセルの局所、たとえばピクセルの中心で入射するエネルギーである一方、周辺接点１４８は窓１１０に入射する全エネルギーを測定する。中央電極などの局所電極１４７を用いるτ_ｐｏｗよりも長いパルス長について、局所電極１４７、たとえば中心電極が用いられる場合ピクセルの中心の近くの局所に入射する局所パワーについての情報を得ることを可能にする一方、周辺接点について、ピクセル窓への入射ビームの全パワーが測定される。後者のシステムはとりわけ、ビームサイズよりも大幅に大きな感知装置要素のアクティブもしくは感度の高い領域を規定する窓を有する大きな単一ピクセル感知装置に用いられることができる。大幅に、とは、ビームの典型的なサイズ、たとえばビーム直径が、窓の典型的なサイズ、たとえば直径よりも、少なくとも１．５倍、好ましくは２倍小さいことを意味する。周辺電極はさらにまた、保護層として機能し、それによってアクティブもしくは感度の高い範囲を規定するであろう。この場合、周辺電極１４８は、窓の開口部を規定する小さなリングを除いて半導体層１２０から絶縁された電極層であろう。先の構成と同様に、絶縁層および抗反射コーティングが、必要に応じて適用されるであろう。周辺接点が、たとえば中心接点よりも小さな感度をもたらすことに留意するべきである。本発明の感知装置要素に円形および正方形の窓が示されるが、窓の形状はこれに限定されないことが、当業者にとって明らかであろう。このことは、τ_ｍｉｘよりも短いビームパルスについて、周辺接点を用いることで使用可能な結果が得られない一方で、なぜピクセル中心における局所接点がビーム強度についての情報を得ることを可能にするかを説明する。

本発明の他の実施形態において、本発明は、複数のピクセルから構成される、すなわちたとえば一連のピクセルから構成される、検出装置に関する。直線配列はとりわけ、検出器ヘッドとレーザービームとの間の相対動作のある適用について適する。広範囲の適用において２次元検出配列が用いられる。このような検出装置の的確な配置が、特定の適用について調整されることができる、すなわち、ピクセルはピクセルのｎの縦列、ｍの横列を有するマトリクス状に配置されるであろうが、必ずそうでなければならないわけではない
。

原則として、先の実施形態で説明された任意のピクセル構成、とりわけ図４ａ、図４ｂ、図４ｃに示される構成が、多数のピクセルを有する検出装置について用いられてよい。しかしながら、２以上のピクセルが考慮されるとすぐに、すなわち、図６ａに示されるようにピクセルの１次元配列（１Ｄ）の、もしくは図１１に示されるように２次元配列（２Ｄ）検出装置が存在すると、所与の解法について異なるピクセルの間のクロストークを最小化し、最適な感度を保持することが重要である。言い換えれば、マルチピクセル構成において用いられるべきピクセルは、ピクセル間の低いクロストークが得られるように構成されることが好ましい。

クロストークを受容可能なレベルにまで低くする好適な設計ルールは、検出器の運転領域に依存し、異なる運転領域は第１実施形態において詳細に説明される。速いレーザーパルス検出適用において、熱が熱伝導プロセスによって充分に速く伝達されないため、クロストークはさして重要ではない。クロストークは、パルス長がτ_ｍｉｘよりも短い適用において無視されてよい。

τ_ｍｉｘよりも長いレーザーパルスについて、熱を拡げるのに充分な時間があり、パルスが長ければそれだけ、熱がよく広がり、したがってよりクロストークが多い。通常、熱は基板内を通じて上側から下側へ広がり、すなわち垂直勾配を作成し、ピクセルの中心から側面へ広がり、すなわち水平勾配を作成する。ピクセル間のクロストークを最小化するため、必要なピクセルピッチが与えられ、３つの好適な技術が適用されることができる。ピクセルの曲線因子は低くされ、水平勾配は、垂直勾配よりも著しく小さく保持され、および／または水平方向の熱流束はブロックされる。

それぞれの方向に広がる熱は、勾配および勾配の値に垂直な熱拡散範囲に比例する。熱拡散範囲は、吸収長Ｌ_ａｂｓ、ピクセルの周辺Ｐ_ｐｉｘおよび表面積Ｓ_ｐｉｘとして説明される。水平勾配についての熱拡散範囲は、Ｌ_ａｂｓＰ_ｐｉｘとして規定されることができ、一方、垂直勾配について、熱拡散範囲はＳ_ｐｉｘに等しい。したがって、最小のクロストークは最小比Ｐ_ｐｉｘＬ_ａｂｓ／Ｓ_ｐｉｘを用いて得られる。半径Ｒ_ｐｉｘを有する円形ピクセルの場合、この比率は２Ｌ_ａｂｓ／Ｒ_{ｐｉｘｅｌ}になる。再び、検出器のダイナミックレンジを増加させるため、部分的に吸収する半導体基板が用いられるであろう。ダイナミックレンジはそこで、吸収ゾーン厚み／吸収長Ｌ_ａｂｓの比率に急激に依存する。

単純な式が、より短い吸収長を用いてクロストークが低くされることができることを示す。短い吸収長はしかし、より局所的なエネルギー堆積をもたらし、したがって、より高い温度に上昇する。大変高いドーピング濃度に対応する大変短い吸収長の場合、局所温度上昇は容認できない程度であり、熱ダメージをもたらすであろう。しかし、異なる好適な解法が導入されて、クロストークの減少と熱ダメージの回避との間の妥協を見つけることができ、これは本発明の全ての提案される検出器の実施形態と組み合わされることができる。第１の好適な解法は、図５ａに示されるように、基板１２０の下部にヒートシンク１７２を供給することである。このヒートシンク１７２は、二つの効果を有する：第１に、これは基板１２０の上側における最大温度を低下させ、したがってこのような場合に大きな光パワーレベルが検出されることができ、第２に、これは水平勾配に対して垂直勾配を大きくし、このことはより小さなクロストークレベルをもたらす。さらに、反射層１７４がヒートシンクに隣接して備えられるであろう。

図５ｂにおいて、最大表面温度はビーム中心から距離を取った位置の関数として示される。破線は、ヒートシンクを有さないシステムについての最大表面温度を図解し、実線は
、ヒートシンクを有する最大表面温度を図解し、一方で点線は、図解を手段として説明されるビームプロファイルに対応する。ヒートシンクを用いて、最大表面温度がおよそ３．４０の係数で低下するということがわかるであろう。さらに、半径の２倍の距離におけるクロストークは、３０％から０．２％に減少し係数１５０の改良に対応した。

図５ｃにおいて、半導体基板１２０の部分１８２のみが吸収される、検出器が示される。図５ｄにおいて、部分的に吸収される基板について最大表面温度の減少が示される。図５ｄは、２９４μｍの吸収長Ｌ_ａを特徴とする吸収層の厚みを減少することにより、いかに最大表面温度が低下するかを示す。直径１ｃｍのレーザービーム入射出力密度は、２５ｋＷｃｍ^−２に等しい。結果は、基板の上部から３５０μｍの距離に配置されたヒートシンクを有する検出器について示される。図５ｄは、部分的に吸収する基板のみを用いることが最大温度上昇を低下させるのに大変効果的でありうることを教示する。最大温度変化は、もっと薄い吸収厚さを選択することで、容易に桁違いに低くなりうる。極めて高い光パワーレベルを扱って熱に誘発される基板損傷を防がなければならない場合、これは好適な実施形態である。

量子井戸検出器、焦電およびボロメーター膜検出器と比較して、適度なドーピング濃度は、すなわち０．４．１０^１８−４．１０^１８ｃｍ^−３の範囲で、ｎ−ＧａＡｓで、少なくとも１桁以上大きな吸収長をもたらす。光パワーレベルおよびパルス幅に基づいて、本発明における吸収長の典型的な幅は、２０から１０００μｍの間であり、一方、従来技術においてこれはマイクロメーター程度であり、さらにはサブミクロン程度である。このことは、大きな光パワー適用において、なぜ他の検出器よりも本発明の検出器機構が好ましいかを説明する。高い光パワー適用におけるピクセル間のクロストークは、より小さな曲線因子を用いることで、すなわち部分的に迂回する、たとえばピクセル中心に近くない光ビームのこれらの部分を反射することで、優先的にさらに減少されることができる。このことは、クロストークの減少に有益でない垂直熱拡散範囲を減少するが、全体的な効果は肯定的である。小さな露出されたピクセル範囲は、所与のピクセルピッチについてピクセル間のより多くのスペースを可能とし、これはクロストーク減少に大変有利である。より小さな曲線因子を有することはまた、レーザービームのより小さな熱インパクトを基板上にもたらす。曲線因子の低減は、線検出器について示され、対応するピクセル構成が図６ａから図８に示される。図６ａは、単一配列検出器、すなわちマルチピクセル構成のピクセルの線の、説明図である。示される検出システムは、先に説明した実施形態の層の上側の反射／保護層２２０から構成される。検出システムは、検出器のアクティブ領域を規定する感知装置要素窓の開口部１１０をさらに示す。反射／保護層２２０は、高い反射係数を有する任意のタイプの層、たとえば金属層であるだろう。反射／保護層２２０はたとえば、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｇ、ＣｕもしくはＡｕから作られてよい。検出器ピクセルのそれぞれは、外部接続のためのパッド２２２、２２４を備えられる。好適な実施形態において、外部接続は、線検出器の一方の側および他方の側に交互に配置され、それにより接触の容易さを改良することができる。

図６ａに示されるように、マルチピクセル構成における単一ピクセルについての第１のピクセル構成は、上面図で示され、線Ａ−Ａ’における対応する断面図が、図６ｂに示される。先に説明された実施形態の層の上側には、電気的および熱的絶縁層２３０によって構成の残りの部分から分離された、反射／保護層２２０が提供される。

異なるピクセル間に低減された熱クロストークを有する多数のピクセル要素における単一ピクセルの第２の構成が、どちらも上面図で、および線Ａ−Ａ’とＢ−Ｂ’における２つの対応する断面図で、図７ａに示される。ピクセルは、従来の構成のピクセル設計と同様の設計を有するが、図６ａおよび図６ｂに示されるこの構成とは対照的に、反射／保護層２２０は第２の絶縁層２３０の上側に備えられずに接触層１４５などの第１の絶縁層１
３０上に堆積されるが、これを補完する。この補完は、図７ｂのメタライゼーション経路を補完する、反射／保護層を有する検出器レイアウトの代替的な設計により詳細に示される。

反射／保護層２２０と接触層１４５との間の補完は、反射／保護層２２０を接触金属１４５から分離し、絶縁する、さらなる絶縁層２４０を用いることによってまた実施されることができる。後者は上面図で、また図８のＡ−Ａ’およびＢ−Ｂ’における２つの対応する断面図について示される。

エネルギー感知領域において大まかに言えば、ピクセル間ピッチとも称される、ピクセル間の距離Ｐは、最小限であるべきであり、窓の開口部ｗの１．５倍から２倍大きい。著しく大きなピクセル間ピッチＰを有する感知装置素子を有する検出器の説明図は、図９に例として図解される。

パワー感知領域において、ピクセル間の熱拡散は、ピクセルを長い間レーザービームに露出することによって、最大である。クロストークの低減はしたがって、この運転領域についてさらに重要である。したがって、可能な限りの低減を得ることが好ましい。したがって、特にパワー感知領域の検出器素子について、技術の組み合わせが用いられ、小さな曲線因子の実施を、水平方向の熱流束のブロックと組み合わせる。

水平方向の熱流束のブロックを可能にするシステムの図は、図１０に示される。小さな曲線因子が用いられる場合、露出された範囲の間に、幅ｅで深さｄの空気路２７５をエッチングするのに充分なスペースがある。これらの空気路２７５は、ピクセル間の良好な熱断材として機能するであろう。これは、エッチング深さｄが少なくとも充分な部分、すなわち少なくとも１０％、好ましくは２０％、より好ましくは５０％もしくは少なくとも吸収長と等しくなるとすぐに、大変効果的である。典型的に、これらのビアの幅はそれほど重要ではない。典型的な幅は５から５０μｍ幅の範囲であろう。シミュレーションは、絶対的なクロストークがレーザー適用の５％実用レベルを下回るように、クロストークが５から２５の係数で低減されることができることを示す。

当業者は、検出器とピクセル出力および、基板材料、窓の開口部、吸収長などの所与の検知器寸法に基づくそれらの時間依存クロストークの影響をいかに解釈するかを理解し、ビーム特性の第１の概算を導き出すであろう。

説明の目的で、温度分布および熱的クロストークについての例示的な結果が、本発明にしたがった感知装置素子について、図１１ａから図１３ｂに示される。図１１ａと図１１ｂは、Ｎ＝２．５×１０^１８ｃｍ^−３のドーピング濃度と、４６．７μｍの対応する吸収長とを有し、２５μｍの半径と反射Ａｕ層を２次絶縁層の上面に有する円形ピクセルを有する、ｎ型ＧａＡｓ検出器基板上での、１ｍｍ幅の、２５．６ｋＷ／ｃｍ^２のピーク強度と３００μｓのパルス幅を有する入射レーザービームについて、基板の深さにおける温度分布の典型的なグラフを図解する。図１１ａにおける異なる曲線は、基板内の様々な深さでの検出器ピクセルの中心における温度進化、すなわち、温度分布の時間的な挙動を示す。応答、すなわち温度進化は、深さｚ＝０μｍについて曲線３０２で、ｚ＝５０μｍについて曲線３０４で、ｚ＝１００μｍについて曲線３０６で、ｚ＝２００μｍについて曲線３０８で、ｚ＝４００μｍについて曲線３１０で、示される。図１１ｂのグラフは、様々な深さにおける対応する最大温度を示す曲線３１２を示す。これらの典型的なグラフは、最大出力が検出されるように接地接触を配置するために、どの距離が深さにおいて尊重されるべきかを示す。接地接触はしたがって、最大出力を得るべく、時間積分された吸収ボリューム外に配置される必要がある。本発明について、少なくとも０．２ｍｍの深さが尊重される必要がある。

図１２ａ、図１２ｂ、図１２ｃは、１００μｍの吸収長を有し、２５μｍの半径と反射Ａｕ層とを２次絶縁層の上面に有する円形ピクセルを有する、ｎ型ＧａＡｓ検出器基板上での、１ｍｍ幅の、２５．６ｋＷ／ｃｍ^２のピーク強度と、多様なパルス幅、すなわち３００ｎｓ、３０μｓおよび５ｍｓとを有する、入射レーザービームについて、基板の上側における温度分布の時間的進化の典型的なグラフを図解する。様々なグラフ上の曲線は、ピクセル半径の倍数、すなわち０×、１×、２×、４×、６×、８×、１０×ピクセル半径で表される、ピクセル中心からの異なる距離に対応する。３００ｎｓのパルス幅を有するレーザービームを用いる、図１２ａに図解されるエネルギー感知領域において、検出器の出力は、光入力の積分である。曲線３２０で示されるピクセルの中心でのみ、および曲線３２１で示されるピクセル半径でのみ、温度は変化している。ピクセル中心からピクセル距離の２倍離れたポイントにおける温度を示す曲線３２２について、および、ピクセル中心からさらに遠いポイントを示す他の曲線（言及されない）において、温度はほとんど一定である。一旦パルスが終了すると、ピクセルの熱的漏れのため温度は次第に下降する。図１２ｂ、１２ａによって図解される、３０μｓのパルス幅を有するレーザービームを用いる、混合エネルギー−パワー感知領域において、ピクセルからの様々な距離におけるより大きな温度変化が見られる。図１２ｂは、曲線３３０によって示されるピクセル中心についての、および、それぞれ曲線３３１、３３２、３３３、３３４、３３５、３３６によって示されるピクセル中心から１×、２×、４×、６×、８×、１０×ピクセル半径離れたポイントについての、結果を示す。この温度変化は、基板格子の熱伝導効果のため、もはや入来エネルギーに比例しない。混合エネルギー−パワー領域は、ピクセルからの異なる距離において、温度が時間における他のモーメントに、その最大値に達するという事実により特徴づけられる。この領域において、レーザービームに関する時空間情報を導き出すべく、数値的モデルは適合される必要がある。図１２ｃは、５ｍｓのパルス幅を有するレーザービームを用いるパワー感知領域についての温度変化を図解する。この領域において、最大温度は、ピクセル中心からの異なる距離において同時に達成される。ピクセル中心の温度情報は、ピクセルに入射するパワーの温度進化を直接生じる。温度変化はピクセル中心について、曲線３４０によって示され、ピクセル中心から１×、２×、４×、６×、８×、１０×ピクセル半径離れたポイントについて、それぞれ曲線３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６によって示される。

水平熱流束のブロックが実施されない、クロストーク計算の実施例は、エネルギー感知およびパワー感知領域について、それぞれ図１３ａおよび図１３ｂに示される。両方の図は、ｍｍ^−１で表される、異なる吸収率について、ピクセル中心で温度が最大であるモーメントにおけるクロストークの外観を与える。図１３ａの実施例において用いられる感知装置構造およびレーザービームは、図１２ａの実施例において用いられる感知装置構造およびレーザービームと同一である。図１３ａは、エネルギー感知領域において、ピクセル中心が相互から３ピクセル半径離れている場合に、ピクセル間のクロストークが５％と１％との間（５％−１％）であることを示す。このことは、出力信号Ｓをもたらす照射される第１のピクセルについて、直接照射されない近くのピクセルが、第１のピクセルで測定された信号Ｓの最大５％の信号を示すであろうことを意味する。明らかに、ピクセル中心がより大きな距離で分離される場合、クロストークはより小さい。クロストークの量は、α＝３４ｍｍ^−１、α＝５５ｍｍ^−１、α＝９６ｍｍ^−１、α＝２１５ｍｍ^−１、α＝４７４ｍｍ^−１について、それぞれ曲線３５０、３５１、３５２、３５３、３５４によって示される。最も大きなクロストーク値は、最も小さなドーピング濃度に対応し、一方で最も小さなクロストーク値は、最も大きなドーピング濃度に対応する。図１３ｂに示されるパワー感知領域におけるクロストークを図解するために用いられるレーザービームおよび感知装置構造は、図１２ｃのものと同じである。曲線は、吸収率の値にパラメータ化される。パワー感知領域についての曲線は、空隙を有さないクロストークは、遠い距離であっても容認できないほど高いことを示す：６から８ピクセル半径離れていても１０％を上回
る。クロストークの量が、異なる吸収長、すなわちα＝３４ｍｍ^−１、α＝５５ｍｍ^−１、α＝９６ｍｍ^−１、α＝２１５ｍｍ^−１、α＝４７４ｍｍ^−１について、曲線３６０、３６１、３６２、３６３、３６４によってそれぞれ示される。図１３ｃは、Ｎ＝７．７×１０^１７ｃｍ^−３のドーピング濃度と、２９４μｍである対応する吸収長とを有し、半径２５μｍの円形ピクセルを有する、ｎ型ＧａＡｓ検出器基板上での、２５．６ｋＷ／ｃｍ^２のピーク強度と、３００μｓのパルス幅とを有する、５０μｍ幅の入射レーザービームの場合に、熱絶縁空隙をエッチングすることにより、このクロストークがいかに大幅に低減されるかの実施例を示す。曲線３７０は、光線の中心で測定された温度変化を示し、一方曲線３７１は、５０μｍ幅の空隙によってピクセルから分離された、光ビームの外側の近くのピクセルで測定された温度変化を示す。クロストークは曲線３７２によって示され、エッチング深さがこの例示的な実施例における吸収長のおよそ２０％である５０μｍである場合、クロストークが５％実用レベルを下回って低減されることを示す。表２は、クロストーク低減係数が、熱絶縁空隙の吸収長と深さとの間の比率にいかに依存するかを、数値例を用いて示す。どちらの場合も、１５０μｍ深さの空隙は、平坦な構造と比較される。１５から２５の間である低減係数は、空隙深さ−吸収長比率が１６％と３００％の間で変動する時に、達成されることができる。クロストーク低減は、最も短い吸収長について最も効果的であるが、実際はそれほどそれに依存するわけではない。その上面において、ピクセルの感度はおよそ係数３だけ上昇した。

上述の等式および対応するモデルに基づく、例として上に示される結果が、所与のピクセル構造について典型的なものでしかないこと、および同様の結果が、本発明にしたがった検出器の好適な基板上の任意の適切なピクセル構造上で任意の入射レーザービームについて得られることが、明らかであろう。

さらに好適な実施形態において、ピクセル４０２の２次元配列から構成される検出器４００が、図１４ａに示されるように説明される。２次元配列の単一のピクセル構造４０２の電子スキームが、図１４ｂに図解される。本発明はこれに限定されないが、２次元配列はｎの縦列とｍの横列から成るであろう。各ピクセル４０２は、その光入力にしたがってそれ自身の電圧Ｖ_ｔ，ｏｃを生じる。各ピクセルは、各ピクセルの値を独立して読み出すことができるよう、別々にアドレス可能であろう。したがって、各ピクセルに別々にアドレスする手段、および各ピクセルの値を独立して読み出す手段が提供される。ピクセルへの金属接点の有限寸法により、局所抵抗４１０が存在する。所与の時間の間、配列の全てのピクセルは、それらの入力値を記憶素子４２０にスイッチ４３０を用いて記憶する。記憶素子４２０は、たとえばキャパシタであろう。各ピクセルの読みスイッチ４３０は、読み周期の間に全てのピクセルに向けられる共通の読み信号によって起動される。光パルスが入射する前に、各ピクセル要素の全てのスイッチ４３０は、読み信号によって起動される。読み周期の間、全ての読みスイッチは導電性の状態のままであり、全ての読み出しスイッチは開いたままである、すなわち、非導電性の状態である。レーザーパルス読みサイクルが終わった後に、各ピクセルの全てのスイッチ４３０は停止される。その後、読み出しサイクルが始められる。読み出しサイクルの間、２次元ピクセル配列のＭの縦列から構
成される各列は、Ｍ縦列ピクセルスイッチ４４０を起動することにより、徐々にアドレスされ、記憶素子から情報を読み出す。ピクセルのＮの横列が利用可能である場合、Ｎの異なる読み出しステップが、全フレーム周期の間に連続して実行される。読み出しステップのその他の方法は、本発明の範囲を限定するものではなく、当業者にとって既知である。

先の実施形態のうちの任意のものに説明される検出器素子から構成される、装置を検出する読み出し電子機器は、ここでより詳細にさらに説明される。図１５および図１６は、装置を検出する読み出し電子機器のブロック図の好適な構成を示す。読み出し電子機器は、本発明にしたがって上述の全てのピクセルに適合されることができる。図１５の電子スキームは、ビーム特性の時間的進化のデジタル化に適している。時計４５０は、アナログ／デジタル４７０変換が行われる後で、通常の方法で、サンプル／ホールド回路４６０をトリガーする。サンプルおよびホールド回路４６０は、図１０ｂに説明されるように、測定結果を得ること、記憶することを可能にする、任意の回路であってよい。サンプルおよびホールド回路４６０は、たとえばキャパシタなどの任意のタイプの記憶素子であってよい記憶素子から構成される。一旦、信号がデジタル化されると、これは、レーザービームの時間的形状を復元するさらなる処理に用いられることができる。図１６の電子スキームはむしろ、ピクセル出力における最大信号を測定するのに適している。ピーク検出器回路４８０は、特定のピクセルに入射するレーザービームの時間的進化の最大値を記録する。最大信号が検出されるモーメントに、サンプルおよびホールド回路４６０がトリガーされる。このプロセスの後、アナログ信号のデジタル化が、ＡＤＣ回路４７０を用いて行われることができる。上述の読み出し電子機器は、当業者にとって既知である、標準の電子部品から作られることができる。

さらなる実施形態は、本発明にしたがった、レーザービームの時間的および空間的プロファイルを測定する方法を説明する。概略図が図１７および図１８に示される。図１７は、照射ビームを生じるシステム５１０、たとえばレーザーシステム５１０が、適切なビームサンプラー５３０によってサンプリングされる第１の照射ビーム５２０を生じる、第１の好適な構成を図解する。方法およびシステムは、たとえばＮｄ：ＹＡＧもしくはＣＯ_２レーザーなどの高出力レーザーシステムについて特に有用であり、第１の光ビーム５２０を、第２の光ビーム５４０と第３の光ビーム５６０とに分配する。第２の光ビーム５４０における光パワーは、第３の光ビーム５６０における光パワーよりもはるかに大きい。ビームサンプラー５３０は、高エネルギービームに適した、たとえば低吸収のビーム分配器、たとえば適切な被覆ＺｎＳｅビーム分配器、漏出ミラー、もしくは音響光学ビーム分配器などであってよい。第２の光ビーム５４０は、ユーザの特定の適用５５０に用いられる。これは１つの適用であり、もしくは第２の光ビーム５４０はいくつかの他の適用のためにさらに分配されるであろう。第３の光ビーム５６０は、レーザー５１０によって放出されるビーム５２０の状態について通知するのに用いられる、検出器もしくはカメラ５７０の入力として用いられる。検出器もしくはカメラ５７０は、先の実施形態に説明された任意の検出器素子のうちの１または複数から構成されるであろう。状態についてのこの情報は、レーザーシステム５１０の出力についての、また間接的に第１の光ビーム５２０プロファイルの時間的挙動についての、時間的および空間的情報から構成されるであろう。

第２の好適な構成において、ビームサンプラー５３０は、回転ポイント５９０に取り付けられるミラー５８０に代替される。ミラー５８０は、時間における所与のモーメントに、入力ビーム５２０が、１次元もしくは２次元カメラシステム５７０の方向へ反射されるように設置される。また、本構成において、検出器もしくはシステム５７０は、先の実施形態に説明された任意の検出器素子のうちの１または複数から構成される。ミラー回転は、ユーザの適用５５０についての入力ビーム５２０の中断が極めて限られるように、時々作動されるのみである。本実施形態は、連続運転のレーザーについて、特に有用である。パルスレーザーシステムについて、ミラー５８０の回転のタイミングは、パルス周波数と
同調するよう、レーザーパルスのタイミングに適合されることができる。

高出力レーザーシステムについて、カメラの方向へ案内されるレーザービームの部分は、数％に限定されることが好ましい。２５μｍ半径のピクセルで、ＧａＡｓ基板検出器の場合、基板温度は８００Ｋを下回るよう限定されるべきである。

本発明にしたがった装置について、好適な実施形態、特定の構造および構成、および材料がここに説明されたが、形状および詳細における多様な変化もしくは修正が、本発明の範囲および精神から逸脱することなくなされることができることが、理解されるべきである。

図１は、本発明の実施形態にしたがった検出法則を用いるシステムの概略外観を示す。 図２は、本発明の実施形態において用いられる、多谷半導体におけるいくつかの自由キャリア吸収機構を示す。 図３は、本発明の１実施形態にしたがった半導体ベース検出器の等価スキームを示す。 図４ａは、本発明の実施形態にしたがった単一ピクセル検出器の異なるレイアウトについて、上面図および対応する断面図を示す。 図４ｂは、本発明の実施形態にしたがった単一ピクセル検出器の異なるレイアウトについて、上面図および対応する断面図を示す。 図４ｃは、本発明の実施形態にしたがった単一ピクセル検出器の異なるレイアウトについて、上面図および対応する断面図を示す。 図４ｄは、本発明の実施形態にしたがった単一ピクセル検出器の他のレイアウトの上面図を示す。 図５ａは、本発明の実施形態にしたがった基板下部に接続されたヒートシンクを有する部分吸収ピクセルを示す。 図５ｂは、本発明の実施形態にしたがったヒートシンクを有する、および有さない検出器について、入射ビームへの距離の関数としての最大表面温度変化のグラフを示す。 図５ｃは、本発明の実施形態にしたがった基板厚さよりも薄い厚さを有するゾーンにおいて吸収する半導体基板を有する検出器を示す。 図５ｄは、本発明の実施形態にしたがった、部分吸収基板における吸収長の関数としての温度上昇を示す。 図６ａは、本発明の１実施形態にしたがった検出器ピクセルの１次元配列の概略外観であり、それらのそれぞれは、外部接続のためのパッドを備える。 図６ｂは、本発明の１実施形態にしたがった保護／反射上側金属層を有する単一ピクセル検出器の異なるレイアウトについての上面図および対応する断面図を示す。 図７ａは、本発明の１実施形態にしたがった金属化パッドを補完する反射／保護層を有する検出器レイアウトについての上面図および対応する断面図を示す。 図７ｂは、本発明の１実施形態にしたがった金属化パッドを補完する反射／保護層を有する検出器レイアウトについての代替設計の上面図を示す。 図８は、本発明の１実施形態にしたがった、金属化パッドを補完する反射／保護層を有し、相互に分離された検出器レイアウトについての上面図および対応する断面図を示す。 図９は、本発明の実施形態にしたがった、エネルギー感知領域において検出するための１次元線配列からの２つのピクセルについて上面図および対応する断面図を示す。 図１０は、本発明の実施形態にしたがった、パワー感知領域において検出するための１次元線配列からの２つのピクセルについて上面図および対応する断面図を示す。 図１１ａは、本発明の１実施形態にしたがった検出器ピクセルの中心位置における基板内の多様な深さにおける温度の時間進化の図である。 図１１ｂは、本発明の１実施形態にしたがった検出器ピクセルについて、基板内の多様な深さにおける対応する温度変化の図である。 図１２ａは、本発明の実施形態にしたがったエネルギー感知領域（図１２ａ）について、基板の上側での、ピクセル中心からの多様な距離における温度の時間進化を示す。 図１２ｂは、本発明の実施形態にしたがった混合エネルギーパワー領域（図１２ｂ）について、基板の上側での、ピクセル中心からの多様な距離における温度の時間進化を示す。 図１２ｃは、本発明の実施形態にしたがったパワー感知領域（図１２ｃ）について、基板の上側での、ピクセル中心からの多様な距離における温度の時間進化を示す。 図１３ａは、本発明の実施形態にしたがったエネルギー感知領域（図１３ａ）について、エッチングされた空隙を有する、多様なドーピング濃度について、クロストーク対ピクセル中心からの距離の図を示す。 図１３ｂは、本発明の実施形態にしたがったパワー感知領域（図１３ｂ）について、エッチングされた空隙を有さない、多様なドーピング濃度について、クロストーク対ピクセル中心からの距離の図を示す。 図１３ｃは、本発明の実施形態にしたがったクロストーク減少対エッチングされた空隙の深さの図を示す。 図１４ａは、本発明の１実施形態にしたがった検知器システムについて、検出器ピクセルの２次元配列（図１４ａ）の概略図を示す。 図１４ｂは、本発明の１実施形態にしたがった検知器システムについて、ピクセル電子機器の等価スキーム（図１４ｂ）の概略図を示す。 図１５は、本発明の１実施形態にしたがった検出器システムについて読み出しスキームのブロック図を示す。 図１６は、本発明の１実施形態にしたがった検知器システムについての代替読み出しスキームのブロック図を示す。 図１７は、本発明の１実施形態にしたがったビームサンプリングシステムの可能なセットアップを示す。 図１８は、本発明の１実施形態にしたがったビームサンプリングシステムの代替セットアップを示す。

Claims (24)

1. 高出力光ビームを特徴づける検出器であって、前記検出器は少なくとも１つのピクセルを含み、前記少なくとも１つのピクセルのそれぞれは、
   前記高出力光ビームの少なくとも部分である入射光ビームを吸収距離Ｌにわたって大幅に吸収するよう構成された、ドープされた半導体基板であって、前記半導体基板は熱電気的性質を有し、前記ドープされた半導体基板は半導体基板の厚さの少なくとも部分にわたってドープされる、半導体基板と、
   前記入射光ビームを前記ドープされた半導体基板に受けるため、ドープされた半導体基板の第１の側に窓の開口部が備えられるように、ドープされた半導体基板を部分的に覆う手段と、
   前記ドープされた半導体基板の前記第１の側の第１の電極と基準電極とを含み、前記ドープされた半導体基板内に、熱電効果によって引き起こされる電気信号を測定する手段であって、前記基準電極は前記窓の開口部および前記吸収距離Ｌによって決定される吸収ボリューム外に配置される手段と、
   を含む。
2. 吸収原理にしたがって動作し、前記吸収原理は自由キャリア吸収プロセスである、請求項１に記載の検出器。
3. クロストークを低減する手段から構成される、請求項１、２のいずれかに記載の検出器。
4. クロストークを低減する前記手段が、少なくとも５％実用レベルを下回るクロストークを低減するよう構成された、前記複数のピクセルのうちの近くのピクセル間のクロストークを低減する手段である、請求項３に記載の検出器。
5. クロストークを低減する前記手段が、少なくとも５％実用レベルを下回るクロストークを低減するよう構成された、前記複数のピクセルのうちの任意のピクセル電極と基準電極との間のクロストークを低減する手段である、請求項３、４のいずれかに記載の検出器。
6. クロストークを低減する前記手段が、少なくとも２つのピクセル間の冷却チャネルから構成される、請求項３から５のいずれかに記載の検出器。
7. クロストークを低減する手段が前記半導体基板によって決定される平面の外に配置される、請求項３に記載の検出器。
8. クロストークを低減する手段が、前記半導体基板と熱接触して提供されるヒートシンクから構成される、請求項３から７のいずれかに記載の検出器。
9. クロストークを低減する手段が、窓の開口部の周囲に配置される反射器材料から構成される、請求項３から８のいずれかに記載の検出器。
10. ドープされた半導体基板を部分的に覆う手段および前記吸収距離Ｌが、
    

    

    が０．１から１００の範囲にあるように調整され、式中Ｐ_{ｐｉｘｅｌ}はピクセル窓の周辺
    であり、Ｓ_{ｐｉｘｅｌ}はピクセル窓の表面積である、請求項１から９のいずれかに記載の検出器。
11. 前記特徴づけることは、ビームの、空間的または／および時間的強度プロファイルと、空間的エネルギープロファイルと、空間的エネルギー密度プロファイルと、もしくは空間的または／および時間的パワープロファイルのうちの任意のものを検出することである、請求項１から１０のいずれかに記載の検出器。
12. 前記第１の電極が、少なくとも窓の開口部の周辺を規定する、請求項１から１１のいずれかに記載の検出器。
13. 前記第１の電極が、さらに窓の開口部にわたって伸びる少なくとも１つの細長い電極を含む、請求項１から１２のいずれかに記載の検出器。
14. 前記第１の電極が、絶縁層によって、少なくとも部分的に、前記ドープされた半導体基板から分離される、請求項１から１３のいずれかに記載の検出器。
15. 吸収距離Ｌの調整は、前記ドープされた半導体基板のドーピングレベルを調整することによって行われる、請求項１０に従属する限りにおいて、請求項１０から１４のいずれかに記載の検出器。
16. 複数のピクセルを含み、各ピクセルは平均ピクセル窓幅ｗを有するピクセル窓を有し、ピクセルは少なくともピクセル間ピッチＰによって分離され、前記ピクセル間ピッチＰは平均ピクセル窓幅ｗの１倍から１０倍の間であり、好ましくは平均ピクセル窓幅ｗの１．５倍から８倍の間であり、より好ましくは平均ピクセル窓幅ｗの１．５倍から５倍の間であり、さらにより好ましくは、平均ピクセル窓幅ｗの１．５倍から４倍の間である、請求項１から１５のいずれかに記載の検出器。
17. 各第１の電極において、ピクセル情報を一時的に記憶するスイッチおよび記憶手段が備えられる、請求項１から１６のいずれかに記載の検出器。
18. 前記検出器システムは、通常のモーメントで電気検出器出力の時間進化をサンプリングし、サンプリングされたアナログ電圧をデジタル信号に変換するよう構成される読み出し電子回路からさらに含む、請求項１から１７のいずれかに記載の検出器。
19. 前記第２の電極は、完全にドープされた半導体基板の第２の側に配置され、第１および第２の側は相互に向かって反対側にある、請求項１から１８のいずれかに記載の検出器。
20. 光ビームサンプリング手段および検出器を含む光ビーム発生手段の出力を監視するシステムであって、それによって前記光ビームサンプリング手段が光ビームを第１の小さな部分と第２の大きな部分とに分配するよう調整され、それによって前記光ビームの前記第１の小さな部分が請求項１から１９のいずれかに記載の検出器の方向へ向けられる。
21. 前記ビームサンプリング手段がミラーであり、前記ミラーは通常の周期で光ビームを分配するよう回転可能に取り付けられる、先行する請求項に記載の監視するシステム。
22. 光ビームのプロファイルを監視する方法であって、前記方法は、
    前記光ビームを監視のための第１の部分と適用のために用いられる第２の部分とに分配するステップと、
    前記光ビームを検出器に向けるステップと、
    前記検出器を用いて、光ビームの部分の断面におけるいくつかのポイントで測定するステップと、
    前記光ビームの空間的および／または時間的強度プロファイルを表す、複数の電気信号を得るステップと、
    を含む。
23. 光ビームの部分の断面のいくつかのポイントにおける前記検出器を用いる前記測定は、請求項１から１９に記載される単一もしくは多数のピクセル検出器を、光ビームの部分の断面の別のポイントへ、後でシフトし、測定を記録することによって行われる、請求項２２に記載の方法。
24. 前記光ビームはパルス幅を有し、前記検出器は強度測定モード、エネルギー測定モード、エネルギー密度モードもしくはパワー測定モードで測定することができ、方法は、強度測定モード、エネルギー測定モード、エネルギー密度モードもしくはパワー測定モードで測定するべく、前記光ビームのパルス幅を設定することを含む、請求項２２、２３のいずれかに記載の方法。

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