一种脉冲光探测器及其制备方法

本发明涉及光学领域，具体涉及一种基于光声效应和压电效应的高灵敏度脉冲光探测器及其制备方法。

背景技术：

脉冲光是指一种波长在500-1200纳米范围内以脉冲方式发射的多波长非相干光。随着激光技术的发展，脉冲光的应用范围也越来越广泛。当前对脉冲光强度的测量，通常是通过光电探测器将脉冲光的能量转变为其它形式的能量，间接实现对脉冲光强度的测量。当前常用的脉冲光探测器主要有光电效应式脉冲光探测器和光热效应式脉冲光探测器。光电效应式脉冲光探测器响应速度快，可以达到纳秒级别，但是对脉冲光的波长有选择性，不能测量宽光谱的脉冲光，只能测量波长范围较窄的脉冲光；光热效应式脉冲光探测器对脉冲光波长没有选择性，可以测量宽光谱的脉冲光，但是响应速度慢，不能测量脉冲宽度是毫秒级及以下的脉冲光，只能测量脉冲宽度是百毫秒级别及以上的脉冲光。因此，要测量脉冲光的强度必须要考虑脉冲光的光谱宽度和脉冲宽度的影响。由于受到测量波长范围和响应速度的限制，当前常用的脉冲光探测器无法实现对波长范围较宽及响应速度在毫秒级及以下的脉冲光的测量。

技术实现要素：

针对现有技术无法实现对波长范围较宽及响应速度在毫秒级及以下的脉冲光的测量问题，本发明提供了一种脉冲光探测器及其制备方法。

一种脉冲光探测器，包括衬底、支撑层、压电薄膜、电极和光声薄膜。所述的衬底位于最下方，支撑层位于衬底上方，压电薄膜位于支撑层的上方中央处，电极位于支撑层上方压电薄膜两侧并且和压电薄膜紧密接触，光声薄膜位于压电薄膜的上方中央处。

使用时，用待测量的脉冲光照射探测器最上层的光声薄膜。光声薄膜被脉冲光照射后，由于吸收了脉冲光的能量引起瞬间温度升高，发生绝热膨胀，从而将吸收的脉冲光的能量转化为机械能，并以超声波的形式辐射出去。从光声薄膜辐射出的超声波进入下方的压电薄膜，由于压电效应将超声波振动的机械能转化为电能，并在压电薄膜内部产生感应电荷，感应电荷聚集在压电薄膜的左右两侧面处。聚集在压电薄膜的左右两侧面处的感应电荷被压电薄膜左右两侧的电极收集，通过测量左右两侧电极之间的电荷信号就可以实现对脉冲光强度的测量。支撑层位于压电薄膜的下方，硬度较高，起到支撑压电薄膜的作用。衬底位于支撑层下方，起到固定支撑层的作用，衬底两侧为固体材料，中央部分为空腔，可以将从支撑层上方的压电薄膜中泄露的超声波再反射回压电薄膜，从而增强压电效应，产生更多的感应电荷，提高脉冲光探测器的灵敏度。

进一步地，所述的衬底材料为硅或二氧化硅。

进一步地，所述的支撑层材料为二氧化硅或氮化硅。

进一步地，所述的压电薄膜为氮化铝薄膜、氧化锌薄膜、锆钛酸铅薄膜、聚偏氟乙烯薄膜、铌酸锂晶体薄膜或钽酸锂晶体薄膜。

进一步地，所述的光声薄膜为碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯和聚二甲基硅氧烷的混合物薄膜。

进一步地，所述的电极材料为金、钛、钼或铝。

一种脉冲光探测器的制备方法，包括衬底清洗、支撑层制备、压电薄膜制备、电极制备、光声薄膜制备和衬底刻蚀。

进一步地，所述的衬底清洗是将衬底依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水中，分别各自超声清洗3分钟后取出，氮气吹干。

进一步地，所述的支撑层制备是采用等离子增强化学气相沉积或脉冲激光沉积的方法制备。

进一步地，所述的压电薄膜制备是采用射频溅射、电子束蒸发、等离子增强化学气相沉积或脉冲激光沉积的方法制备。

进一步地，所述的电极制备是采用射频溅射或电子束蒸发的方法制备。

进一步地，所述的光声薄膜制备是采用旋涂的方法制备。

进一步地，所述的衬底刻蚀是采用深反应离子刻蚀的方法将衬底中央部分刻蚀掉，只保留衬底边缘部分，形成空腔结构。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明采用了光声薄膜和压电薄膜相结合的方式。光声薄膜由于光声效应将脉冲光的能量转化成超声波振动的过程，不受脉冲光波长范围和响应速度的限制，压电薄膜由于压电效应将超声波振动转化成感应电荷的过程，同样不受脉冲光波长范围和响应速度的限制，从而克服了基于光电效应光探测器由于波长选择性不能测量宽光谱脉冲光的问题和基于光热效应光电探测器的响应速度慢的问题。由于本发明中光声薄膜和压电薄膜直接相接触，不需要额外增加声学耦合层，压电薄膜下方设有支撑层，支撑层下方为空腔，可以将从压电薄膜泄露的超声波再反射回压电薄膜，这些措施都可以提高超声波的利用率，减少超声波能量的耗散，从而增强压电效应，产生更多的感应电荷，提高探测器的灵敏度。本发明的脉冲光探测器不仅可以对宽光谱脉冲光的能量进行快速准确地测量，还具有结构简单和探测灵敏度高等优点。

附图说明

图1是本发明实施例结构示意图。

图中1-衬底，2-支撑层，3-电极，4-压电薄膜，5-光声薄膜。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明提供了一种基于光声效应的脉冲光探测器。如图1所示，该脉冲光探测器包括衬底1、支撑层2、电极3、压电薄膜4和光声薄膜5。衬底1位于最下方，支撑层2位于在衬底1上方，压电薄膜4位于支撑层2的上方中央处，电极3位于支撑层2上方压电薄膜4两侧并且和压电薄膜4紧密接触，光声薄膜5位于压电薄膜4的上方中央处。

当脉冲光照射在光声薄膜5上表面时，光声薄膜5吸收脉冲光后，由于光声效应就会在光声薄膜5内部产生超声波。光声薄膜5产生的超声波向下传播作用到压电薄膜4，由于压电效应就会在压电薄膜4内部产生感应电荷，感应电荷聚集在压电薄膜4的左右两侧面处。聚集在压电薄膜4的左右两侧面处的感应电荷被压电薄膜左右两侧的电极3收集，通过测量左右两侧的电极3之间的电荷信号就可以实现对脉冲光强度的探测。支撑层2位于压电薄膜4的下方，硬度较高，起到支撑压电薄膜4的作用。衬底1位于支撑层2下方起到固定支撑层2的作用，衬底两侧为固体材料，中央部分为空腔，可以将从支撑层2上方的压电薄膜4中泄露的超声波再反射回压电薄膜4，从而增强了压电效应，产生更多的感应电荷，提高了脉冲光探测器的灵敏度。

进一步地，所述的衬底1为硅，支撑层2为氮化硅，厚度为500纳米，电极3材料为钼，厚度为2000纳米，压电薄膜4为氮化铝薄膜，厚度为2000纳米，光声薄膜5为碳粉、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯和聚二甲基硅氧烷的混合物薄膜，厚度为1000纳米。

本发明提供了一种脉冲光探测器的制备方法，包括：

1.将衬底1依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水中，分别各自超声清洗3分钟后取出，氮气吹干；

2.将支撑层2通过等离子增强化学气相沉积的方法沉积在衬底1上方；

3.将压电薄膜4通过射频溅射的方法沉积在支撑层2上方中央处；

4.将电极3通过射频溅射的方法沉积在支撑层2上方压电薄膜4两侧；

5.将光声薄膜5通过旋涂的方法沉积在压电薄膜4的上方中央处；

6.采用深反应离子刻蚀的方法将衬底1中央部分刻蚀掉，只保留衬底边缘部分，形成空腔结构。