一种基于光声效应的脉冲光探测器

本实用新型涉及光学领域，具体涉及一种基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器。

背景技术：

随着激光技术的发展，脉冲光技术越来越成熟并且应用也越来越广泛。要测量脉冲光的强度时，必须要考虑脉冲光的波长和脉冲宽度的影响。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再进行测量，间接实现对脉冲光强度的探测。当前常用的光电探测器主要有基于光电效应式探测器和基于光热效应式探测器两大类。基于光电效应式探测器响应速度快，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；基于光热效应式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，一般是百毫秒级别，不能测量脉冲宽度是毫秒级及以下的脉冲光。由于受到光谱宽度和响应速度的限制，当前的这两类光电探测器无法实现对脉冲宽度毫秒级及以下的宽光谱脉冲光的测量。

技术实现要素：

针对现有技术无法实现对脉冲宽度毫秒级及以下的宽光谱脉冲光的测量问题，本实用新型提供一种基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器。

一种基于光声效应的宽光谱脉冲光探测器，包括衬底、低声学阻抗材料、高声学阻抗材料、压电薄膜、光声薄膜、下电极和上电极。所述的衬底位于最下方，多个周期的低声学阻抗材料和高声学阻抗材料交替排列构成的声学反射层沉积在衬底上方，压电薄膜沉积在高声学阻抗材料的上方左侧，下电极沉积在高声学阻抗材料层的上方右侧，光声薄膜沉积在压电薄膜的上方右侧，上电极沉积在压电薄膜的上方左侧。

使用时，用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，因为吸收了脉冲光的能量引起瞬间温度升高，发生绝热膨胀，产生光声效应，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上下表面。聚集在压电薄膜下表面的感应电荷通过高声学阻抗材料传递被下电极收集，聚集在压电薄膜上表面的感应电荷被上电极收集，通过测量上电极和下电极之间的电荷信号就可以实现对脉冲光强度的测量。衬底和压电薄膜之间是由多个周期的低声学阻抗材料和高声学阻抗材料组合交替排列而构成的声学反射层，可以将从压电薄膜泄露的超声波再反射回压电薄膜而不散失在衬底中，从而增强了压电效应，可以产生更多的感应电荷。

进一步地，所述的衬底为硅或玻璃。

进一步地，所述的低声学阻抗材料为钛、铝或二氧化硅。

进一步地，所述的高声学阻抗材料为钨、钼或金。

进一步地，所述的压电薄膜为氮化铝薄膜、氧化锌薄膜、锆钛酸铅薄膜或聚偏氟乙烯薄膜。

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混合制作的复合薄膜。

进一步地，所述的上电极材料为金或铝。

进一步地，所述的下电极材料为金或铝。

进一步地，所述的低声学阻抗材料最少为1层，最多为5层。

进一步地，所述的高声学阻抗材料最少为1层，最多为5层。

进一步地，所述的低声学阻抗材料和高声学阻抗材料呈周期性交替排列。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型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产生超声波，超声波进入下方的压电薄膜，由于压电效应在压电薄膜内部产生感应电荷，感应电荷分别被压电薄膜上下表面的上下电极所收集，通过测量该感应电荷信号的大小从而可以实现脉冲光强度的测量，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。由于本实用新型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，压电薄膜下方设有由多个周期的低声学阻抗材料和高声学阻抗材料组合交替排列而构成的声学反射层，可以将从压电薄膜泄露的超声波再反射回压电薄膜而不散失在衬底中，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，提高探测的灵敏度。本实用新型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分析和测量，而且具有超声波能量耗散小和脉冲光探测灵敏度高的优点。

附图说明

图1是本实用新型实施例结构示意图。

图中1-衬底，2-低声学阻抗材料，3-高声学阻抗材料，4-压电薄膜，5-光声薄膜，6-下电极，7-上电极。

具体实施方式

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

本实用新型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、低声学阻抗材料2、高声学阻抗材料3、压电薄膜4、光声薄膜5、下电极6和上电极7。衬底1位于最下方，第一周期的低声学阻抗材料2沉积在衬底1上方，第一周期的高声学阻抗材料3沉积在第一周期的低声学阻抗材料2上方，第二周期的低声学阻抗材料2沉积在第一周期的高声学阻抗材料3上方，第二周期的高声学阻抗材料3沉积在第二周期的低声学阻抗材料2上方，第三周期的低声学阻抗材料2沉积在第二周期的高声学阻抗材料3上方，第三周期的高声学阻抗材料3沉积在第三周期的低声学阻抗材料2上方，压电薄膜4沉积在第三周期的高声学阻抗材料3的上方左侧，下电极6沉积在第三周期的高声学阻抗材料3的上方右侧，光声薄膜5沉积在压电薄膜4的上方右侧，上电极7沉积在压电薄膜4的上方左侧。

当脉冲光照射在光声薄膜5表面时，光声薄膜5吸收脉冲光后由于光声效应会在光声薄膜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的上下表面。在压电薄膜4下表面积累的感应电荷通过第三周期的高声学阻抗材料3传递被下电极6收集，在压电薄膜4上表面积累的感应电荷被上电极7收集，通过测量下电极6和上电极7之间的电荷信号就可以实现脉冲光强度的探测。衬底1和压电薄膜4之间是由三个周期的低声学阻抗材料2和高声学阻抗材料3组合交替排列而成的声学反射层，可以将压电薄膜4泄露的超声波再反射回压电薄膜4而不散失在衬底1中，从而增强压电效应，使下电极6和上电极7之间获得更多的感应电荷积累。

进一步地，所述的衬底1为硅片，低声学阻抗材料2为钛，厚度为690纳米，高声学阻抗材料3为钨，厚度为620纳米，压电薄膜4为氮化铝薄膜，厚度为2580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混合制作的复合薄膜，厚度为1000纳米，下电极6材料为金，厚度为150纳米，上电极7材料为金，厚度为150纳米。

技术特征：

1.一种基于光声效应的脉冲光探测器，其特征在于所述的脉冲光探测器从下到上包括衬底、低声学阻抗材料、高声学阻抗材料、压电薄膜、下电极、光声薄膜和上电极，其中衬底位于最下方，低声学阻抗材料位于衬底上方，高声学阻抗材料位于低声学阻抗材料上方，压电薄膜位于高声学阻抗材料上方左侧，下电极位于高声学阻抗材料上方右侧，光声薄膜位于压电薄膜的上方右侧，上电极位于压电薄膜的上方左侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于光声效应的脉冲光探测器，其特征在于所述的低声学阻抗材料为钛、铝或二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的一种基于光声效应的脉冲光探测器，其特征在于所述的高声学阻抗材料为钨、钼或金。

4.根据权利要求1所述的一种基于光声效应的脉冲光探测器，其特征在于所述的压电薄膜为氮化铝薄膜、氧化锌薄膜、锆钛酸铅薄膜或聚偏氟乙烯薄膜。

5.根据权利要求1所述的一种基于光声效应的脉冲光探测器，其特征在于所述的光声薄膜为碳纳米管薄膜、碳纳米纤维薄膜或石墨烯薄膜。

6.根据权利要求1所述的一种基于光声效应的脉冲光探测器，其特征在于所述的上电极和下电极材料为金或铝。

7.根据权利要求1所述的一种基于光声效应的脉冲光探测器，其特征在于所述的压电薄膜厚度为500-5000nm。

8.根据权利要求1所述的一种基于光声效应的脉冲光探测器，其特征在于所述的光声薄膜厚度为500-2000nm。

9.根据权利要求1所述的一种基于光声效应的脉冲光探测器，其特征在于所述的低声学阻抗材料和高声学阻抗材料呈周期性交替排列。

技术总结
本实用新型公开了一种基于光声效应的脉冲光探测器，所述的探测器包括衬底、低声学阻抗材料、高声学阻抗材料、压电薄膜、下电极、光声薄膜和上电极。本实用新型的脉冲光探测器基于光声效应，不仅可以对宽光谱脉冲光的能量进行快速准确地分析和测量，而且具有能量耗散小和探测灵敏度高的优点。

技术研发人员：韩程章;张清悦;马浩然;王焱萍;赵秋玲;王霞
受保护的技术使用者：青岛科技大学
技术研发日：2020.11.18
技术公布日：2021.07.27