热电式激光功率探头及其制作方法与流程

本发明属于激光测量技术领域，具体涉及一种激光功率探头，特别是一种热电式激光功率探头及其制作方法。

背景技术：

在激光功率计中，激光功率探头是核心部件，它的性能决定了激光功率测量的准确性和激光功率计的适用性。激光功率探头按照不同的原理和材料分为热电式型、光电二极管型。热电式型激光功率计通过热电堆结构将光能转换成热量，再转换为电信号输出，通过校准来精确测量激光功率的大小。而光电二极管型探头通过光电二极管，直接将光能转换为电流或者电压信号，再通过校准来精确测量激光功率的大小。

热电式型激光功率探头和光电二极管型各自有明显的优缺点：光电二极管型激光功率探头，光电二极管型探头的响应时间非常快，响应频率非常高，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，更适合测量功率较小的激光，通常能够直接探测1pw到数百mw的，加了特定波段的滤光片，通常可以测量3w以内的激光。传统的热电式型激光功率探头吸收材料种类较多，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，但是，测量连续激光辐照时，当激光光源照射在热电堆探测器靶心时，产生热量，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，一般这类激光功率探头响应时间较慢，需要几秒至几十秒。且这种类型的探头由于结构的限制，灵敏度较低，影响探头的信噪比，输出信号容易被噪声淹没，增加了信号提取的难度。

因此，有必要提出一种新型的热电式激光功率探头及其制作方法，用于解决现有的激光功率探头响应慢、灵敏度低等技术难题。

技术实现要素：

针对现有技术的上述缺陷，本发明提供一种热电式激光功率探头，此种热电式激光功率探头制备工艺简单、制造成本低、体积小、响应快、灵敏度高和稳定性高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一方面，提供一种热电式激光功率探头，包括吸收材料层，所述吸收材料层添加在导热过渡层一面上，导热过渡层的另一面通过高导热硅脂连接薄膜热电堆探测组，所述薄膜热电堆探测组由多个薄膜热电堆探测组单元通过连接部串联电连接形成；所述薄膜热电堆探测组与所述高导热硅脂接触的一面为工作端面，与所述工作端面相对的另一面为参考端面，所述参考端面设有温度传感器，用于检测所述参考端面的温度变化。

优选的，所述薄膜热电堆探测组单元为单面单层膜结构，其具体包括：第一绝缘基底，所述第一绝缘基底的一面上镀制有p型热电偶层；第二绝缘基底，所述第二绝缘基底的一面上镀制有n型热电偶层，所述p型热电偶层、第一绝缘基底、n型热电偶层以及第二绝缘基底依次叠加为一体；所述p型热电偶层和n型热电偶层的一端通过连接端进行电连接，形成工作端；与所述工作端相对的另一端为参考端；并从所述p型热电偶层和所述n型热电偶层的参考端上分别引出正电极和负电极。

优选的，所述薄膜热电堆探测组单元为双面单层膜结构，其具体包括：一个绝缘基底，所述绝缘基底的一面上镀制有p型热电偶层；在所述绝缘基底上的、与镀制有所述p型热电偶层的一面相对的另一面上镀制有n型热电偶层；所述p型热电偶层和n型热电偶层的一端在所述绝缘基底裸露的一侧面沉积并连接，形成工作端；与所述工作端相对的另一端为参考端；并从所述p型热电偶层和所述n型热电偶层的参考端上分别引出正电极和负电极；相邻两个双面单层膜结构的所述薄膜热电堆探测组单元之间还设有绝缘层。

优选的，所述薄膜热电堆探测组单元为单面多层膜结构，其具体包括：一个绝缘基底；在所述绝缘基底的一面上依次并反复镀制p型热电偶层、绝缘材料薄膜层和n型热电偶层；其中，一组p型热电偶层、绝缘材料薄膜层和n型热电偶层形成了一个三层膜，所述三层膜的p型热电偶层和n型热电偶层的一端在绝缘材料薄膜层一端连接，形成三层膜的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则为参考端；并从第一个三层膜pn结的p型热电偶层的参考端上引出正电极，以及在最后一个三层膜的pn结的n型热电偶薄膜层上引出负电极。

优选的，所述单面多层膜结构的薄膜热电堆探测组单元至少由两个所述三层膜的pn结组成；相邻两个所述三层膜的pn结之间设有一层相隔绝缘材料薄膜层，且相邻的两个所述三层膜pn结在所述相隔绝缘材料薄膜层的一端连接，形成所述三层膜的pn结的串联。

优选的，所述薄膜热电堆探测组单元为双面多层膜结构，其具体包括：一个绝缘基底；在所述绝缘基底的一面上依次并反复镀制p型热电偶层、绝缘材料薄膜层和n型热电偶层；在所述绝缘基底上的、与所述依次并反复镀制p型热电偶层、绝缘材料薄膜层和n型热电偶层的一面相对的另一面上依次并反复镀制n型热电偶层、绝缘材料薄膜层和p型热电偶层；其中，一组p型热电偶层、绝缘材料薄膜层和n型热电偶层形成了一个三层膜，所述三层膜的p型热电偶薄膜层和n型热电偶层在绝缘材料薄膜层一端连接，形成三层膜的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则为参考端；所述绝缘基底一面的第一个三层膜的pn结的p型热电偶层和另一面的第一个三层膜的pn结的n型热电偶层在所述绝缘基底裸露的一侧面沉积并连接；并从所述绝缘基底一面上的最后一个三层膜pn结的n型热电偶层的参考端上引出负电极，以及从所述绝缘基底另一面上的最后一个三层膜的pn结的p型热电偶层上引出正电极。

优选的，相邻两个所述三层膜的pn结之间设有一层相隔绝缘材料薄膜层，且相邻的两个所述三层膜pn结从所述相隔绝缘材料薄膜层的一端连接，形成所述三层膜的pn结的串联；相邻所述双面多层膜结构的薄膜热电堆探测组单元之间还设有绝缘层。

优选的，所述吸收材料层为面吸收材料或体吸收材料，其包括但不限于是金黑、镍磷合金、黑陶瓷涂层、黑色涂料、石墨、nd玻璃、氧化金属、sic涂层以及发黑氧化铝吸收材料层中的一种或几种；所述吸收材料层厚度为1nm-3mm；所述连接部为薄导电箔片或采用溅射沉积的导电薄膜层。

优选的，所述p型热电偶层包括但不限于是p型的te基热电薄膜层、zn基热电薄膜层、nicr热电薄膜层、nicrsi热电薄膜层中的一种或几种；且所述p型热电偶层的厚度为1nm至10μm；绝缘基底包括但不限于是聚酰亚胺基底、石英薄膜、不锈钢基底、al基底、cu基底中的一种或几种；且绝缘基底的厚度为0.01mm-10mm；n型热电偶层包括但不限于是n型的te基热电薄膜层、zn基热电薄膜层、nicu热电薄膜层、nisi热电薄膜层中的一种或几种；且所述n型热电偶层的厚度为1nm-10.0μm。

另一方面，还提供一种热电式激光功率探头的制作方法，包括如下步骤：

s1、薄膜热电堆探测组单元制备：选用绝缘基底，采用薄膜沉积方法在绝缘基底上完成多个电偶层的镀制，进一步完成薄膜热电堆探测组单元的制作；

s2、薄膜热电堆探测组制备：采用串联电连接方式，通过在两两薄膜热电堆探测组单元之间添加连接端来组成薄膜热电堆探测组，在薄膜热电堆探测组的电极上引出两条激光功率探头的输出导线；

s3、吸收层添加：在所述的薄膜热电堆探测组的工作端面上涂覆一层高导热硅脂层，在所述的高导热硅脂层上添加一层导热过渡层，再在所述的导热过渡层上添加一层吸收材料层；

s4、主体结构形成：在所述薄膜热电堆探测组的参考端面处设置温度传感器，用于测试参考端面的温度变化，形成所述热电式激光功率探头的主体结构。

本发明的技术方案具备的有益效果为：

1.热量平行于入射光方向进行扩散，没有无源区，很大程度地缩短电势传输距离，提高了响应速度；

2.制备出来的热电式激光功率探头制备工艺简单、制造成本低；

3.体积小，具有较高灵敏度和稳定性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例1提供的具有单面单层膜结构薄膜热电堆探测组的热电式激光功率探头的结构示意图；

图2是本发明实施例2提供的具有双面单层膜结构薄膜热电堆探测组的热电式激光功率探头的结构示意图；

图3是本发明实施例3提供的具有单面多层膜结构薄膜热电堆探测组的热电式激光功率探头的结构示意图；

图4是本发明实施例4提供的具有双面多层膜结构薄膜热电堆探测组的热电式激光功率探头的结构示意图；

图5是本发明实施例5提供的一种热电式激光功率探头的制作方法流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

实施例1

图1为本发明提供的具有单面单层膜结构薄膜热电堆探测组的热电式激光功率探头的结构示意图，该热电式激光功率探头包括：吸收材料层104，所述吸收材料层104可以为面吸收材料或者体吸收材料。所述吸收材料层104添加在导热过渡层103一面上，导热过渡层103的另一面通过高导热硅脂层102连接薄膜热电堆探测组101，达到减少热阻的目的。薄膜热电堆探测组101与高导热硅脂层102接触的一面为工作端面；与所述工作端面相对的另一面为参考端面，在所述参考端面处设有温度传感器100，用于测试所述参考端面的温度变化，以便进行温度补偿。

所述薄膜热电堆探测组101由多个薄膜热电堆探测组单元112通过连接部116串联电连接形成，具体的，所述薄膜热电堆探测组单元112为单面单层膜结构薄膜的温差电池单元，具体包括：第一绝缘基底107，所述第一绝缘基底107的一面上镀制有p型热电偶层105；第二绝缘基底109，所述第二绝缘基底109的一面上镀制有n型热电偶层108，所述p型热电偶层105、第一绝缘基底107、n型热电偶层108以及第二绝缘基底109依次叠加为一体；p型热电偶层105和n型热电偶层108的一端通过连接端106进行电连接形成工作端110，连接端106可以为铜、金或银等薄导电箔片或采用溅射沉积的导电薄膜层；与所述工作端110相对的另一端为参考端111，并从所述p型热电偶层105的参考端和所述n型热电偶层108的参考端分别引出正电极114和负电极115。

进一步的，在由多个薄膜热电堆探测组单元112串联形成的薄膜热电堆探测组101的从最下端的n型热电偶层上引出的负电极113和最上端正电极114上分别引出整个所述热电式激光功率探头的输出导线117和118。

此外，吸收材料层104的功能是吸收激光并把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激光类型选择不同的吸收材料。吸收材料层104包括但不限于是金黑、或者镍磷合金、或者黑陶瓷涂层、或者黑色涂料(如黑漆)、或者石墨、或者nd玻璃(如ng1玻璃)、或者氧化金属(如cuo)、或者sic涂层、或者发黑氧化铝吸收材料层。且所述吸收材料层104的厚度介于1nm-3mm。

作为吸收材料层104和薄膜热电堆探测组101的导热过渡层103包括但不限于是al、cu、au、ag等高导热金属材料。且所述导热过渡层103的厚度介于100nm-3mm，其面积可大于或者等于吸收材料层104的面积。

薄膜热电堆探测组101由多个薄膜热电堆探测组单元112采用串联的连接方式叠加组成，连接部116连接相邻的两个薄膜热电堆探测组单元112；第一个绝缘基底107的上表面沉积p型热电偶层105，第二个绝缘基底109的上表面沉积n型热电偶层108。

所述p型热电偶层105包括但不限于是p型的te基热电薄膜层、zn基热电薄膜层、nicr热电薄膜层、nicrsi热电薄膜层等热电薄膜材料层；p型热电偶层105的厚度为1nm至10μm，该厚度可优选为1nm、1.2μm、4.5μm或者10μm等；绝缘基底107和109包括但不限于是聚酰亚胺基底(即kapton薄膜基底)、或者石英薄膜、或者不锈钢基底、或者al基底、或者cu基底等经特殊处理后绝缘的基底；绝缘基底107和109的厚度为0.01mm-10mm，该厚度可优选为0.01mm、0.5mm、5.0mm或者10mm等；n型热电偶层108包括但不限于是n型的te基热电薄膜层、zn基热电薄膜层、nicu热电薄膜层、nisi热电薄膜层等热电薄膜材料层；n型热电偶层108的厚度为1nm-10.0μm，该厚度为优选为1nm、1.0μm、5.0μm或者10μm等。

进一步的，以实施例1结合磁控溅射制备方法，以p型热电偶层105为sb2te3薄膜层、n型热电偶层108为bi2te3薄膜层、绝缘基底107和109为柔性聚酰亚胺基底为例，对该热电式激光功率探头制作方法的过程进行详细描述。

采用磁控溅射镀膜机来溅射沉积p型热电偶层105和n型热电偶层108。选用p型的sb2te3和n型的bi2te3半导体化合物，在两个直流溅射靶位上放置纯度为99.99％的单质bi和sb靶，在射频溅射靶位上放置纯度为99.99％的单质te；以柔性聚酰亚胺基底作为绝缘基底107，绝缘基底107的厚度为0.01mm，有机溶剂对绝缘基底进行超声波清洗，然后放入镀膜室内的夹具上，柔性聚酰亚胺基底具有较好的耐温特性；在室温条件下，分别采用直流溅射和射频溅射方法，在第一绝缘基底107的一端面上镀制sb-te膜，再进行300℃的真空热退火后续处理，形成厚度为100nmm的p型热电偶层105；同样，在室温条件下分别采用直流溅射和射频溅射方法，在第二个绝缘基底109的一面上镀制bi-te膜，进行300℃的真空热退火处理后，形成厚度为100nm的n型热电偶层108；所述p型热电偶层105和n型热电偶层108的一端通过连接端106进行电连接形成工作端110，以此便形成整个薄膜热电堆探测组单元112，与所述工作端110相对的另一端为参考端111。相邻所述薄膜热电堆探测组单元112之间采用串联连接方式，进行叠加，采用连接部116将薄膜热电堆探测组单元112的正(负)电极与另一薄膜热电堆探测组单元112的负(正)电极进行连接，便形成整个薄膜热电堆探测组101。在所述薄膜热电堆探测组101最外层正、负电极114和113上分别引出两条激光功率探头的输出导线117和118；所述的薄膜热电堆探测组单元112数量可以为多个。

在所述薄膜热电堆探测组101的工作端110上面涂覆一层高导热硅脂层102，在所述的高导热硅脂层102上添加一层导热过渡层103，在所述的导热过渡层103上采用喷涂法喷涂一层黑色涂料层作为吸收材料层104，黑色涂料层为10μm；在所述的薄膜热电堆探测组101的参考端111处添加有热敏电阻作为温度传感器100，用于测量参考端111的温度变化，形成热电式激光功率探头的主体结构。

实施例2

该热电式激光功率探头的薄膜热电堆探测组单元不但可以是单面单层膜结构，还可以是双面单层膜结构。图2是本发明实施例2提供的具有双面单层膜结构薄膜热电堆探测组的热电式激光功率探头的结构示意图，如图2所示，本实施例2提供的双面单层膜结构薄膜热电堆探测组单元214包括：1个绝缘基底203，所述绝缘基底203的一面215上镀制有p型热电偶层202，在所述绝缘基底203上的、与镀制有所述p型热电偶层202的一面215相对的另一面216上镀制有n型热电偶层204，所述p型热电偶层202和n型热电偶层204在在所述绝缘基底203裸露的一侧面沉积并连接，形成工作端205，与所述工作端205相对的另一端为参考端206；并从所述p型热电偶层202的参考端和所述n型热电偶层204的参考端分别引出正电极210和负电极209；相邻两个双面单层膜结构的所述薄膜热电堆探测组单元214之间还设有绝缘层207，且各个双面单层膜结构薄膜热电堆探测组单元214之间通过连接部208进行串联电连接，形成整个双面单层膜结构薄膜热电堆探测组201。所述的双面单层膜结构薄膜热电堆探测组单元214可以为多个。

其他与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例3

该热电式激光功率探头的薄膜热电堆探测组单元还可以是单面多层膜结构，图3是本发明提供的具有单面多层膜结构薄膜热电堆探测组的热电式激光功率探头的结构示意图，如图3所示，本实施例中的薄膜热电堆探测组301由多个单面多层膜结构的薄膜热电堆探测组单元319串联而成，所述的多层膜结构薄膜热电堆探测组单元319包括一个绝缘基底318，在所述绝缘基底318的一面上依次并反复镀制p型热电偶层302、绝缘材料薄膜层303和n型热电偶层304；其中，一组p型热电偶层302、绝缘材料薄膜层303和n型热电偶层304形成了一个三层膜，所述三层膜的p型热电偶层302和n型热电偶层304在所述绝缘材料薄膜层303一端连接，形成三层膜的pn结320，所述pn结320所在的一端为工作端306，与所述工作端306相对的另一端则为参考端307；并在第一个三层膜pn结320的p型热电偶层302的参考端上引出正电极313，以及在最后一个三层膜的pn结320的n型热电偶薄膜层304上引出负电极314。

优选的，所述单面多层膜结构的薄膜热电堆探测组单元319至少由两个所述三层膜的pn结320组成；相邻两个所述三层膜的pn结320之间设有一层相隔绝缘材料薄膜层305，且相邻的两个所述三层膜pn结320在所述相隔绝缘材料薄膜层305的一端连接，形成所述三层膜的pn结320的串联。单面多层膜结构薄膜热电堆探测组单元319之间通过连接端317进行串联电连接，形成如图3所示的单面多层膜结构薄膜热电堆探测组的主体结构。所述的单面多层膜结构薄膜热电堆探测组单元319数量可以为多个。

其他与实施例1相同，在此不再赘述。

作为实施例3的一种改进，还可以将n型热电偶层或者p型热电偶层作为绝缘基底，省去对绝缘基底的使用，其均属于本发明的保护范围。

实施例4

该热电式激光功率探头的薄膜热电堆探测组单元还可以是双面多层膜结构，图4是本发明实施例4提供的具有双面多层膜结构薄膜热电堆探测组的热电式激光功率探头的结构示意图，如图4所示，双面多层膜结构薄膜热电堆探测组401由至少一个薄膜热电堆探测组单元413串联组成。所述薄膜热电堆探测组单元413包括一个绝缘基底402；在所述绝缘基底402的一面418上依次并反复镀制p型热电偶层403、绝缘材料薄膜层404和n型热电偶层405，在所述绝缘基底402上的、与所述依次并反复镀制p型热电偶层403、绝缘材料薄膜层404和n型热电偶层405的一面418相对的另一面419上依次并反复镀制n型热电偶层405、绝缘材料薄膜层404和p型热电偶层403；其中，一组p型热电偶层403、绝缘材料薄膜层404和n型热电偶层405形成了一个三层膜，所述三层膜的p型热电偶层403和n型热电偶层405在所述绝缘材料薄膜层404一端连接，形成三层膜的pn结420，所述pn结420所在的一端为工作端407，与所述工作端407相对的所述绝缘材料薄膜层404的另一端则为参考端408；所述绝缘基底402一面的第一个三层膜的pn结420的p型热电偶层403和另一面的第一个三层膜的pn结420的n型热电偶层405在所述绝缘基底402裸露的一侧面沉积并连接；并在所述绝缘基底402一面上的第一个三层膜pn结420的p型热电偶层430的参考端上引出正电极411，以及在最后一个三层膜的pn结420的n型热电偶层405上引出负电极412。

优选的，相邻两个所述三层膜的pn结420之间设有一层相隔绝缘材料薄膜层406，且相邻的两个所述三层膜pn结420从所述相隔绝缘材料薄膜层406的一端连接，形成所述三层膜的pn结420的串联。

所述双面多层膜结构薄膜热电堆探测组单元413之间通过连接端415进行串联电连接，相邻薄膜热电堆探测组单元413之间添加一层绝缘层416进行相隔，形成如图4所示的双面多层膜结构薄膜热电堆探测组401的主体结构。所述的双面多层膜结构薄膜热电堆探测组单元413数量可以为一个，也可以为多个。

其他与实施例1相同，在此不再赘述。

作为实施例4的一种改进，还可以将n型热电偶层或者p型热电偶层作为绝缘基底，省去对绝缘基底的使用，其均属于本发明的保护范围。

上述实施例2至实施例4的制作过程也可以和实施例1一样利用磁控溅射法来具体完成该实施例2至实施例4的各层薄膜制作过程，也可以利用其它的方法。如：离子束建设法、真空蒸发镀膜法、分子束外延法、脉冲激光沉积法、电化学原子层外延法和金属有机化合物气相沉积法等。完成上述薄膜制备过程后，可进行叠加薄膜热电堆探测组、添加高导热硅脂层、添加吸收材料层、设置温度传感器、封装等后续制作步骤。

实施例5

实施例5提供了一种热电式激光功率探头的制作方法，包括如下步骤：

s1、薄膜热电堆探测组单元制备：选用绝缘基底，采用薄膜沉积方法在绝缘基底上完成多个薄膜层的镀制，进一步完成薄膜热电堆探测组单元的制作；

s2、薄膜热电堆探测组制备：采用串联电连接方式，通过在两两薄膜热电堆探测组单元的两电极间添加连接端，组成薄膜热电堆探测组，在薄膜热电堆探测组最外层电极上引出两条激光功率探头的输出导线；

s3、吸收层添加：在所述薄膜热电堆探测组的一面上涂覆一层高导热硅脂层，在所述的高导热硅脂层上添加一层导热过渡层，再在所述导热过渡层添加一层吸收材料层；所述薄膜热电堆探测组与高导热硅脂层接触的一面为工作端面，与所述工作端面相对的另一面为参考端面；

s4、主体结构形成：在所述参考端面上设置温度传感器，用于测试参考端面的温度变化，形成热电式激光功率探头的主体结构。

其中，薄膜热电堆探测组单元、薄膜热电堆探测组、吸收材料层的结构以及各部件之间的相互连接、作用方式均与实施例1-4相同，在此不再赘述。

综上所述，本发明提供的热电式激光功率探头中，被测激光的能量通过吸收材料层转换为热量，热量平行于入射光的方向进行扩散，由于扩散途中没有无源区，很大程度地缩短了电势传输距离，从而提高探头的响应速度。该方法制备出来的热电式激光功率探头制备工艺简单、制造成本低，参考端不用热沉，大大缩小热电式激光功率探头的体积，同时具有较高的灵敏度和稳定性。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。