本發(fā)明屬于光電傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于激光束定位的光電傳感器，本發(fā)明還涉及上述光電傳感器的制作方法。

背景技術(shù)：

激光廣泛應(yīng)用于激光切割、激光測(cè)距、激光手術(shù)、激光核聚變、激光微加工、激光通訊等領(lǐng)域。由于外界振動(dòng)、氣溫改變以及激光器發(fā)熱導(dǎo)致的熱振動(dòng)會(huì)造成激光器的光斑中心偏移，并且也會(huì)使得激光偏離垂直入射光電傳感器的方向，因此需要頻繁地對(duì)光斑中心進(jìn)行快速的精準(zhǔn)校正及坐標(biāo)測(cè)量。

實(shí)際工程應(yīng)用的激光，光斑形狀一般是高斯分布、超高斯分布或均勻分布的，這三種光斑共同特點(diǎn)是光強(qiáng)呈對(duì)稱分布且最大值位于光斑幾何中心處。目前引導(dǎo)激光定位的方法，具體分析如下：

1.刀口掃描法：把刀片固定在光學(xué)位移臺(tái)上，可沿垂直于光束傳播方向切割光束，那么未被刀片遮擋的光便會(huì)被后方放置的激光功率計(jì)接收到。在待測(cè)激光功率不變的情況下，光能大小是刀口位置的函數(shù)。將多次測(cè)量結(jié)果代入計(jì)算機(jī)進(jìn)行曲線擬合和微分計(jì)算，可得到光斑中心的一維坐標(biāo)。這種方法的主要缺點(diǎn)是：需要用較高精度的光能量計(jì)，且引導(dǎo)激光二維定位的測(cè)算過(guò)程較復(fù)雜。

2.ccd成像法：通過(guò)ccd圖像傳感器接收光束，將光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)化為二維灰度圖像，通過(guò)圖像處理找出光斑中心。這種方法的主要缺點(diǎn)是：當(dāng)激光能量較高時(shí)，ccd前必須加衰減片衰減光能，這會(huì)帶來(lái)額外的測(cè)量誤差。

3.四象限傳感器法:激光束照射在四象限光電傳感器上，四個(gè)象限上分別產(chǎn)生四路光電流信號(hào)，調(diào)整光斑位置使四路輸出信號(hào)完全相同，則此時(shí)光斑中心與傳感器中心位置重合。這種方法的主要缺點(diǎn)是：四象限光電傳感器有四路輸出信號(hào)，差分測(cè)量電路較復(fù)雜；四個(gè)象限之間設(shè)計(jì)有電絕緣間隙，當(dāng)光斑直徑很小時(shí)，該間隙的存在會(huì)嚴(yán)重影響光斑中心定位精度。

4.中國(guó)專利(專利號(hào)：zl201110091739.4，名稱：超短脈沖激光的光斑中心坐標(biāo)的測(cè)量裝置及方法，公開(kāi)號(hào)：102243062a，公開(kāi)日：2011.11.16)公開(kāi)了一種超短脈沖激光的光斑中心坐標(biāo)的測(cè)量方法，該測(cè)量方法不適合測(cè)量超高斯或均勻分布的光束。

上述四種方法僅能引導(dǎo)入射光束在二維平面上定位，但都無(wú)法直接解決引導(dǎo)激光束入射方向使之與光敏測(cè)量平面垂直的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于激光束定位的光電傳感器，解決了現(xiàn)有激光傳感裝置存在的不便引導(dǎo)激光束垂直入射以及測(cè)量精度低的問(wèn)題。

本發(fā)明的另一目的是提供上述光電傳感器的制作方法。

本發(fā)明所采用的第一技術(shù)方案是，一種用于激光束定位的光電傳感器，包括光敏層，光敏層的兩端分別設(shè)有陰極電極和陽(yáng)極電極，光敏層的上方設(shè)有遮擋層，遮擋層上設(shè)有十字狹縫，十字狹縫沿遮擋層的上平面貫穿至遮擋層的下平面。

本發(fā)明第一種技術(shù)方案的特點(diǎn)還在于，

其中光敏層由半導(dǎo)體襯底、陰極電極和陽(yáng)極電極構(gòu)成，半導(dǎo)體襯底的材料為本征或絕緣晶體，陰極電極和陽(yáng)極電極位于半導(dǎo)體襯底的同一側(cè)平面或者位于半導(dǎo)體襯底的正反兩側(cè)面上，即陰極電極和陽(yáng)極電極為同側(cè)電極結(jié)構(gòu)或者異側(cè)電極結(jié)構(gòu)。

其中陰極電極和陽(yáng)極電極結(jié)構(gòu)的要求為：電極形狀為外邊緣線為有唯一頂點(diǎn)的弧線。

本發(fā)明的另一技術(shù)方案為上述光電傳感器的制作方法，具體包括以下步驟：

步驟1，在半導(dǎo)體襯底上制作陰極電極和陽(yáng)極電極，形成光敏層；

步驟2，在步驟1形成的光敏層上尋找最優(yōu)的光觸發(fā)點(diǎn)a；

步驟3，在遮擋層上加工十字狹縫，將遮擋層安裝在步驟1形成的光敏層上，并將十字狹縫的中心對(duì)準(zhǔn)步驟找到的最優(yōu)光觸發(fā)點(diǎn)a，光電傳感器制作完成。

本發(fā)明第二種技術(shù)方案的特點(diǎn)還在于，

其中步驟1中的半導(dǎo)體材料為本征或半絕緣晶體。

其中步驟1中的半導(dǎo)體材料為gaas、si、ingaas、gan中的一種。

其中步驟1中陰極電極和陽(yáng)極電極位于半導(dǎo)體襯底的同一側(cè)平面或者位于半導(dǎo)體襯底的正反兩側(cè)面上，即陰極電極和陽(yáng)極電極為同側(cè)電極結(jié)構(gòu)或者異側(cè)電極結(jié)構(gòu)。

其中步驟1中陰極電極和陽(yáng)極電極的結(jié)構(gòu)相同且鏡像對(duì)稱；陰極電極和陽(yáng)極電極結(jié)構(gòu)的要求為：電極形狀為外邊緣線為有唯一頂點(diǎn)的弧線。

其中步驟2的具體過(guò)程如下：

定義光敏層的上表面為xy平面，設(shè)從陰極電極頂點(diǎn)指向陽(yáng)極電極頂點(diǎn)的連線在xy平面方向上的投影為x軸，并設(shè)陰極電極頂點(diǎn)在xy平面的投影為xyz三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)，當(dāng)光子照在光敏層的陰極電極頂點(diǎn)和陽(yáng)極電極頂點(diǎn)之間的連線上時(shí)，光生電子-空穴對(duì)在電場(chǎng)作用下分別漂移到陽(yáng)極電極和陰極電極的總距離最短，且漂移速度最快，因此光斑沿y方向移動(dòng)時(shí)，當(dāng)且僅當(dāng)移動(dòng)到x軸上時(shí)有光電流幅值最大，光斑沿x方向移動(dòng)時(shí)，存在且僅存在一個(gè)最優(yōu)光觸發(fā)點(diǎn)a(x0，0，0)使光電流幅值最大；

尋找最優(yōu)光觸發(fā)點(diǎn)a的具體過(guò)程如下：

給光敏層的陰極電極和陽(yáng)極電極之間外加直流穩(wěn)壓使之承受正向偏置電場(chǎng)，然后用位移臺(tái)移動(dòng)激光在光敏層上的光斑位置，測(cè)量光電流幅值，找到光電流幅值最大的坐標(biāo)點(diǎn)，即為最優(yōu)光觸發(fā)點(diǎn)a的坐標(biāo)。

其中步驟3中遮擋層采用不透明、電絕緣且反射率低的材料制作，十字狹縫沿遮擋層的上平面貫穿至遮擋層的下平面，十字狹縫側(cè)壁均垂直于xy平面，遮擋層的長(zhǎng)和寬尺寸應(yīng)等于或大于光敏層的長(zhǎng)和寬，十字狹縫的縫寬均勻一致，十字狹縫的橫向狹縫與縱向狹縫之間夾角為90°，十字狹縫的橫向狹縫平行于光敏層的x軸。

其中步驟3中十字狹縫縫寬w與待測(cè)激光的直徑d之比應(yīng)小于1，設(shè)遮擋層的厚度為h，通過(guò)如下公式(1)求遮擋層的厚度h：

其中，θ為引導(dǎo)激光垂直入射的最大允許誤差角。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明提供的用于激光束定位的光電傳感器裝置由外加橫向偏置電場(chǎng)的光敏層和有十字狹縫的遮擋層組成，使待測(cè)激光通過(guò)十字狹縫中心垂直入射在光敏層的最優(yōu)觸發(fā)點(diǎn)時(shí)光電流達(dá)到最大值。本發(fā)明裝置的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、尤其適用于能量密度高且光斑較小的激光束。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種用于激光束定位的光電傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種用于激光束定位的光電傳感器中光敏層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明一種用于激光束定位的光電傳感器中遮擋層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明一種用于激光束定位的光電傳感器的外部工作電路原理圖；

圖5是本發(fā)明一種用于激光束定位的光電傳感器的實(shí)施例中的內(nèi)部電場(chǎng)分布圖；

圖6是本發(fā)明一種用于激光束定位的光電傳感器的實(shí)施例中的效果圖。

圖中，1.陰極電極，2.陽(yáng)極電極，3.光敏層，4.遮擋層，5.直流穩(wěn)壓電源，6.光電傳感器，7.電流測(cè)量系統(tǒng)，8.十字狹縫。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明一種用于激光束定位的光電傳感器，結(jié)構(gòu)如圖1～3所示，包括光敏層3，光敏層3的兩端分別設(shè)有陰極電極1和陽(yáng)極電極2，光敏層3的上方設(shè)有遮擋層4，遮擋層4上設(shè)有十字狹縫8，十字狹縫8沿遮擋層4的上平面貫穿至遮擋層4的下平面。

上述光電傳感器的制作方法，具體包括以下步驟：

步驟1，在半導(dǎo)體襯底上制作陰極電極1和陽(yáng)極電極2，形成光敏層3；

光敏層3的半導(dǎo)體襯底材料為本征或半絕緣晶體。如果待測(cè)激光的波長(zhǎng)已知，且激光功率密度較小，則應(yīng)優(yōu)選對(duì)該波長(zhǎng)吸收深度較小的襯底材料，以避免大量光子透射損失；如果激光功率密度較大，為了避免熱應(yīng)力引起的襯底損傷，則應(yīng)優(yōu)選對(duì)該波長(zhǎng)吸收深度較大的襯底材料，從而減少光子的吸收率。例如針對(duì)yag激光切割機(jī)所發(fā)出的1064nm高功率脈沖激光，可優(yōu)選600μm厚的gaas為襯底，因?yàn)間aas對(duì)1064nm波長(zhǎng)的吸收屬于非本征吸收，吸收深度約為3mm量級(jí)。如果待測(cè)激光的脈沖寬度很短(納秒量級(jí)或更短)，則優(yōu)選gaas、ingaas、gan等載流子壽命短的直接帶隙半導(dǎo)體材料做襯底。光敏層3的陰極電極1和陽(yáng)極電極2可以位于半導(dǎo)體襯底同一平面(即陰極電極1和陽(yáng)極電極2為同側(cè)電極結(jié)構(gòu))，也可以分別位于半導(dǎo)體襯底正反兩面(即陰極電極1和陽(yáng)極電極2為異側(cè)電極結(jié)構(gòu))。陰極電極1和陽(yáng)極電極2為常規(guī)工藝制作的歐姆接觸電極，陰極電極1和陽(yáng)極電極2的外邊緣線均為有唯一頂點(diǎn)的弧線(例如圓弧、拋物線、正態(tài)分布曲線或金字塔尖狀)。

步驟2，在步驟1形成的光敏層3上尋找最優(yōu)的光觸發(fā)點(diǎn)a；

步驟2的具體過(guò)程如下：

定義光敏層3的上表面為xy平面，設(shè)從陰極電極1頂點(diǎn)指向陽(yáng)極電極2頂點(diǎn)的連線在xy平面方向上的投影為x軸，并設(shè)陰極電極1頂點(diǎn)在xy平面的投影為光敏層3的xyz三維坐標(biāo)系的原點(diǎn)o，當(dāng)光子照在陰極電極1的頂點(diǎn)和陽(yáng)極電極2的頂點(diǎn)之間(即y＝0且z＝0)時(shí)，光生電子-空穴對(duì)在電場(chǎng)作用下分別漂移到陽(yáng)極電極2和陰極電極1的總距離最短，且漂移速度最快(因?yàn)閥＝0處的電場(chǎng)大于y≠0處的電場(chǎng)，而低場(chǎng)下載流子漂移速度和電場(chǎng)呈正比)，因此光斑沿y方向移動(dòng)時(shí)，當(dāng)且僅當(dāng)移動(dòng)到與x軸相交時(shí)有光電流幅值最大，光斑沿x方向移動(dòng)時(shí)，存在且僅存在一個(gè)最優(yōu)光觸發(fā)點(diǎn)a(x0，0，0)有光電流幅值最大，由于絕大部分半導(dǎo)體材料的電子遷移率大于空穴遷移率，所以最優(yōu)光觸發(fā)點(diǎn)a的位置通常更靠近陰極電極。尋找最優(yōu)光觸發(fā)點(diǎn)a的具體過(guò)程如下：

給光敏層3的陰極電極1和陽(yáng)極電極2之間外加直流穩(wěn)壓使之承受正向偏置電場(chǎng)，然后用位移臺(tái)使光斑中心在x軸上陽(yáng)極電極2和陰極電極1之間的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，逐點(diǎn)測(cè)量光電流幅值，找到光電流幅值最大的坐標(biāo)點(diǎn)，即為最優(yōu)光觸發(fā)點(diǎn)a的坐標(biāo)。為了提高定位精度，可將上述光電流幅值離散點(diǎn)上的測(cè)量結(jié)果，經(jīng)由三次樣條插值等常規(guī)的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行處理，可得激光光斑中心在x方向上移動(dòng)時(shí)光電流幅值的連續(xù)曲線，曲線最大值的位置即為最優(yōu)光觸發(fā)點(diǎn)a的坐標(biāo)值x0，上述過(guò)程在某一光斑位置測(cè)量光電流幅值時(shí)，增加測(cè)量次數(shù)求幅值的平均值，能有效減小由激光脈沖能量起伏帶來(lái)的測(cè)量誤差。

步驟3，在遮擋層4上加工十字狹縫8，十字狹縫8的橫向狹縫與縱向狹縫之間夾角為90°，將遮擋層4安裝在步驟1形成的光敏層3上，將十字狹縫8的中心對(duì)準(zhǔn)步驟2找到的最優(yōu)光觸發(fā)點(diǎn)a，且將十字狹縫8的橫向狹縫平行于光敏層3的x軸。

光電傳感器6制作完成。

步驟3中遮擋層4采用不透明、電絕緣且反射率低的材料制作，十字狹縫8沿遮擋層4的上平面貫穿至遮擋層4的下平面，十字狹縫8側(cè)壁均垂直于xy平面，待測(cè)激光的功率較大時(shí)，遮擋層4的制作材料應(yīng)優(yōu)選耐高溫的材料，例如表面啞光的黑色陶瓷材料，遮擋層4的長(zhǎng)和寬尺寸應(yīng)等于或大于光敏層3的長(zhǎng)和寬，使得激光和外界雜散光不能照射到光敏層3的半導(dǎo)體襯底上除十字狹縫8以外的位置，十字狹縫8的縫寬均勻一致。

步驟3中十字狹縫8縫寬w與待測(cè)激光的直徑d之比應(yīng)小于1，設(shè)遮擋層4的厚度為h，通過(guò)如下公式(1)求遮擋層4的厚度h：

其中，θ為引導(dǎo)激光垂直入射的最大允許誤差角。

本發(fā)明一種用于激光束定位的光電傳感器可用來(lái)引導(dǎo)激光束在工作前和工作中多次精準(zhǔn)定位，本發(fā)明裝置中的十字狹縫8中心點(diǎn)可作為定位原點(diǎn)，提高激光在雕刻、切割、通信、測(cè)量等應(yīng)用中的精度。本發(fā)明一種用于激光束定位的光電傳感器的使用方法為：

1)通過(guò)將本發(fā)明的傳感器安裝在位移臺(tái)上，或通過(guò)將激光器安裝在位移臺(tái)上，或通過(guò)將激光途經(jīng)的全反鏡安裝在位移臺(tái)上，使得激光光斑中心與本發(fā)明裝置的十字狹縫8中心之間的相對(duì)位置和入射角度可調(diào)。本發(fā)明裝置的十字狹縫8的橫向狹縫應(yīng)與位移臺(tái)的橫向運(yùn)動(dòng)方向平行，則縱向狹縫就與位移臺(tái)的縱向運(yùn)動(dòng)方向平行。

2)本發(fā)明的陽(yáng)極電極2與直流穩(wěn)壓電源5的正極相連，陰極電極1與電流測(cè)量系統(tǒng)7串聯(lián)后接回直流穩(wěn)壓電源5的負(fù)極，如此形成光電流的通路，參見(jiàn)圖4，電流測(cè)量系統(tǒng)7可測(cè)量光電流幅值變化。對(duì)于脈沖激光，電流測(cè)量系統(tǒng)7可為寬帶數(shù)字示波器；對(duì)于連續(xù)激光，電流測(cè)量系統(tǒng)7可為精密電流表。

3)先粗調(diào)位移臺(tái)的橫向坐標(biāo)、縱向坐標(biāo)和朝向角度，使得本發(fā)明裝置的光敏層3得到輸入光，電流測(cè)量系統(tǒng)7產(chǎn)生有效輸出信號(hào)。再細(xì)調(diào)位移臺(tái)的橫向坐標(biāo)、縱向坐標(biāo)和朝向角度，使得電流測(cè)量系統(tǒng)7的輸出信號(hào)達(dá)到最大值，即表明激光束垂直入射且激光光斑中心已定位在原點(diǎn)。

本發(fā)明一種用于激光束定位的光電傳感器的工作原理是：遮蓋層4的十字狹縫8和光敏層3可以檢測(cè)入射光偏離或接近最優(yōu)光觸發(fā)點(diǎn)a引起的光電流幅值漲落來(lái)定位高斯、超高斯或均勻激光的中心點(diǎn)以及判斷光是否垂直入射于光敏層3。

下面給出具體的實(shí)施案例：

用暗態(tài)電阻率為10⁷ω·cm量級(jí)的半絕緣gaas:el2單晶制作光敏層3的襯底。襯底的長(zhǎng)、寬和厚度分別為3.5mm、2mm和0.6mm。陰極電極1和陽(yáng)極電極2是用常規(guī)電子束蒸發(fā)工藝淀積au/ge/ni合金，經(jīng)過(guò)常規(guī)退火工藝處理與gaas半導(dǎo)體形成歐姆接觸。電極形狀為圓形(圓形屬于圓弧的一種)，直徑1.1cm，陰極和陽(yáng)極的圓心之間相距2.7cm。待測(cè)激光束來(lái)自脈寬為10ns，波長(zhǎng)為1064nm的yag激光器，高斯光斑直徑約為1mm。圖5為外加直流偏置電壓源后光敏層3的電場(chǎng)分布圖，是用comsolmultiphysics軟件仿真出的直流偏置電壓下陰極和陽(yáng)極之間等電位線和電場(chǎng)分布情況(圖中由箭頭構(gòu)成的連線代表電力線)，直觀展示了本發(fā)明傳感器實(shí)施例在光敏層3的y方向上具有光照位置靈敏度的原因——y＝0處的電場(chǎng)最強(qiáng)且載流子漂移距離最短。給當(dāng)前裸露的光敏層3串接一臺(tái)24v直流穩(wěn)壓電源和一臺(tái)帶寬為300mhz的數(shù)字示波器(連接方式如圖3所示)，示波器內(nèi)阻設(shè)置為50ω檔位，(即光電流脈沖的幅值＝示波器上顯示的電壓脈沖信號(hào)峰值÷50ω)。以陰極電極1的邊緣頂點(diǎn)為光敏層3的原點(diǎn)，用電動(dòng)位移臺(tái)調(diào)節(jié)激光光斑中心在光敏層3的x方向上的位置，每次移動(dòng)0.2mm，在每個(gè)位置上測(cè)量20次光電流幅值求平均值以減小由激光脈沖能量起伏帶來(lái)的誤差，所得光電流幅值和光觸發(fā)位置的關(guān)系曲線如圖6所示，并得到該曲線的極大值坐標(biāo)為5.51mm，因此本實(shí)施例中最優(yōu)光觸發(fā)點(diǎn)a的坐標(biāo)為(5.51mm，0，0)。光電傳感器6的遮蓋層4為黑色陶瓷材質(zhì)，厚度1cm，十字狹縫8的縫寬為0.8mm，縫長(zhǎng)為5mm，十字狹縫8的橫向狹縫與縱向狹縫之間夾角為90°。將遮蓋層4的十字狹縫8的中心點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)光敏層3上的最優(yōu)光觸發(fā)點(diǎn)a，且將十字狹縫8的橫向狹縫平行于光敏層3的x軸。然后安裝固定遮蓋層4，完成本發(fā)明裝置的制作。

使用時(shí)，將本發(fā)明一種用于激光束定位的光電傳感器安裝在一個(gè)可調(diào)載物臺(tái)上，遮蓋層4朝向一臺(tái)脈寬約為10ns的激光雕刻機(jī)，而且將待雕刻的加工件固定在同一載物臺(tái)上。設(shè)本發(fā)明裝置的十字狹縫8中心點(diǎn)作為載物臺(tái)平面的定位原點(diǎn)，安裝時(shí)注意將本發(fā)明裝置的十字狹縫8的橫向狹縫平行于載物臺(tái)的橫向運(yùn)動(dòng)平移方向，則十字狹縫8的縱向狹縫就平行于載物臺(tái)的縱向運(yùn)動(dòng)平移方向。用本發(fā)明光電傳感器來(lái)引導(dǎo)功率激光束在加工前和加工過(guò)程中多次精準(zhǔn)定位，可消除激光雕刻過(guò)程中累積的位置偏移誤差和解決激光套刻加工中的對(duì)位問(wèn)題。外接一臺(tái)0-32v可調(diào)直流偏置電源和一臺(tái)帶寬為300mhz的數(shù)字示波器(示波器內(nèi)阻設(shè)置為50ω檔位)，連接方式如圖3所示。把直流偏置電源調(diào)至24v，然后分別粗調(diào)載物臺(tái)的橫向坐標(biāo)、縱向坐標(biāo)和朝向角度，基于示波器測(cè)量光電流脈沖幅值(注意如果光強(qiáng)很大使得示波器顯示電壓信號(hào)超過(guò)50ω檔位下的最大允許值5v時(shí)，為了保護(hù)示波器，應(yīng)適當(dāng)調(diào)低直流偏置電壓)。然后，細(xì)調(diào)載物臺(tái)的橫向坐標(biāo)、縱向坐標(biāo)和朝向角度使示波器上顯示的脈沖信號(hào)的峰值達(dá)到最大，即表明激光光斑中心已定位在原點(diǎn)且激光束垂直入射在載物臺(tái)平面。