一種紫外探測轉(zhuǎn)換器及其制備和使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種紫外探測與成像的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)，環(huán)境和生物領(lǐng)域中日益增長的需求使得紫外線(UV)光探測器的研發(fā)受到廣泛關(guān)注.。在紫外光電探測器開發(fā)方面，新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料，如(Al，In)GaN、鉆石和SiC等顯出優(yōu)勢。另一方面，具有寬的帶隙一維(ID)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)也被視為研發(fā)的高效率的紫外光電探測器的候選材料，如在ZnO納米線、氧化鎵納米線、納米薄片、GaN納米線或其它金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)中均觀察到光學(xué)靈敏度的顯著提升。然而，在這些紫外探測器的開發(fā)中，必不可少的是讀出電路，若想滿足成像需求，需要陣列加工等相應(yīng)工藝的探索，技術(shù)難度大，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的紫外探測器的讀出電路的開發(fā)技術(shù)難度大，成本高的技術(shù)問題，而提供一種紫外探測轉(zhuǎn)換器及其制備和使用方法。
[0004]本發(fā)明的紫外探測轉(zhuǎn)換器是用透明的弛豫鐵電陶瓷材料切割而成的光學(xué)等腰三棱鏡，其中三棱鏡的截面的等腰三角形的頂角為150?165°，弛豫鐵電陶瓷材料的帶隙寬度Eg = 3.0?4.0eV，居里溫度為10?60°C，紫外輻射所致折射率的下降數(shù)值彡0.02。
[0005]上述的紫外探測轉(zhuǎn)換器的制備方法，包括如下步驟:
[0006]一、使用壓力輔助燒結(jié)(Pressure Assistant Sintering, PAS)技術(shù)制備透明的弛豫鐵電陶瓷塊體材料，其帶隙寬度Eg = 3.0?4.0eV，居里溫度為10?60°C，弛豫鐵電陶瓷塊體材料的紫外輻射所致折射率下降的數(shù)值大于0.02 ;
[0007]二、將弛豫鐵電陶瓷塊體材料切割成等腰三棱鏡，其中三棱鏡的截面的等腰三角形的頂角為150?165°，再經(jīng)研磨與拋光，得到紫外探測轉(zhuǎn)換器。
[0008]還可以在步驟二的研磨與拋光處理后，在兩對稱的等腰棱鏡面上蒸鍍或沉積在中心波長在800nm的高透射率(>99.0% )的多層介質(zhì)膜作為增透膜；其中3102與T12周期交替結(jié)構(gòu)的多層膜，膜厚為λ/4，λ是中心波長800nm。這種多層介質(zhì)增透膜的制備是常規(guī)的膜制備方法。
[0009]上述的紫外探測轉(zhuǎn)換器的使用方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0010]一、搭建設(shè)紫外探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括紫外透鏡陣列、紫外探測轉(zhuǎn)換器、紅外光光源與準(zhǔn)直系統(tǒng)、紅外反射鏡、硅探測器陣列和遮光板；
[0011]硅探測陣列設(shè)置在紫外探測轉(zhuǎn)換器的上方，從硅探測陣列射出的紫外光照射在紫外探測轉(zhuǎn)換器的三棱鏡的底面上，紅外光光源與準(zhǔn)直系統(tǒng)射出的紅外平行光照射在紫外探測轉(zhuǎn)換器的三棱鏡的底面上，因偏離全發(fā)射條件而透射出來的紅外光被紅外反射鏡反射，然后被硅探測器陣列檢測到，而反射出來的紅外平行光被設(shè)置在紫外探測轉(zhuǎn)換器與硅探測器陣列之間的遮光板吸收，以免影響到硅探測器陣列檢測；
[0012]二、從紫外透鏡陣列射出的紫外光照射到紫外探測轉(zhuǎn)換器的底面上，此紫外光輻照會顯著降低陶瓷表面層的折射率，同時紅外光光源發(fā)出的中心波長在SOOnm的近紅外平行光以小于全內(nèi)反射角1.0°?0.5°的入射角度入射到紫外探測轉(zhuǎn)換器的底面上，從紫外探測轉(zhuǎn)換器透出的近紅外平行光經(jīng)紅外反射鏡反射后，由硅探測器陣列接收，接收的近紅外光的發(fā)光強度及空間分布情況與紫外透鏡陣列射出的紫外光的發(fā)光強度及空間分布情況完全一致；從而利用硅探測器陣列直接讀出紫外光的發(fā)光強度及空間強度分布數(shù)據(jù)。
[0013]本發(fā)明利用中心波長在SOOnm的近紅外平行光，使其以接近但稍小于全內(nèi)反角入射在上底面上。在上底面沒受紫外光照射時，所有近紅外光因全內(nèi)反射完全返回而透射。當(dāng)上底面受紫外光照射時，其折射率明顯下降，致使近紅外光偏離全內(nèi)反射而透出陶瓷薄棱鏡。透出陶瓷薄棱鏡的近紅外光的強度空間分布與輻照的紫外光的強度的空間分布完全一致。
[0014]本發(fā)明有效利用通常意義上是消極影響的光色效應(yīng)來實現(xiàn)紫外探測，巧妙的利用現(xiàn)有的高度成熟、成本極低的近紅外與可見光波段的硅基探測器與陣列成熟的探測技術(shù)，結(jié)合全內(nèi)反射的臨界效應(yīng)，無需開發(fā)讀出電路或作陣列加工，直接通向陣列化，實現(xiàn)廉價紫外探測。又由于弛豫鐵電陶瓷材料以其強大的輻射硬度著稱，這對延長探測器的使用壽命無疑是有利的因素。
[0015]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點:
[0016]1、利用技術(shù)成熟、高靈敏、價格低廉的硅探測陣列可以直接讀出紫外光的強度的空間分布。
[0017]2、利用交替順序曝光(紫外與近紅外光不同時輻照)與選擇波段濾光(增加紅外讀出光波段濾光片)方法，可以大大提高信噪比。由于全內(nèi)反射由亞波長尺度內(nèi)的材料折射率決定，使得成像質(zhì)量(分辨率，對比度)保持硅基探測器陣列的數(shù)值。
[0018]3、這種結(jié)構(gòu)由于不需要陣列加工，也無需讀出電路等，在加工成本上顯出優(yōu)勢。由于紅外光可以在讀出同時恢復(fù)折射率變化，使得該技術(shù)能實時給出紫外響應(yīng)。
【附圖說明】
[0019]圖1是以本發(fā)明的紫外探測轉(zhuǎn)換器作為功能核心的紫外探測系統(tǒng)示意圖；其中I為UV圖像，2為紫外透鏡陣列，3為紫外探測轉(zhuǎn)換器，4為紅外反射鏡，5為硅探測器陣列，6為遮光板，7為紅外光光源與準(zhǔn)直系統(tǒng)；
[0020]圖2是實施例1中紫外探測轉(zhuǎn)換器的紫外敏感區(qū)下表面濺射ITO薄膜，并光刻成交插指型電極示意圖；
[0021]圖3是實施例1制備的透明的弛豫鐵電陶瓷塊體材料鈦鈮鐿酸鉛鑭在正常條件下及在紫外輻射條件下的所致的折射率圖。其中a為透明的弛豫鐵電陶瓷塊體材料鈦鈮鐿酸鉛鑭在正常條件下的折射率曲線圖；b為透明的弛豫鐵電陶瓷塊體材料鋯鈦酸鉛鑭在紫外光射條件下的折射率曲線圖；c為紫外光輻照下透明的弛豫鐵電陶瓷塊體材料鋯鈦酸鉛鑭800nm近紅外光反射率下降的點點對應(yīng)關(guān)系動態(tài)曲線。
[0022]圖4是實施例1中，點點對應(yīng)的實驗得到的時間與折射率關(guān)系曲線圖。
【具體實施方式】
[0023]【具體實施方式】一:本實施方式的紫外探測轉(zhuǎn)換器是用透明的弛豫鐵電陶瓷材料切割而成的光學(xué)等腰三棱鏡，其中三棱鏡的截面的等腰三角形的頂角為150?165°，弛豫鐵電陶瓷材料的帶隙寬度Eg = 3.0?4.0eV,居里溫度為10?60°C，紫外輻射所致折射率下降的數(shù)值彡0.02。
[0024]【具體實施方式】二:本實施方式與實施方式一不同的是弛豫鐵電陶瓷材料為鋯鈦鈮鐿酸鉛鑭(Pb。.90La0.10 [ (Ybl72Nbl72) 0.15 (Zr0.425Ti0.575) 0.85] 0.97503)，或者弛豫鐵電陶瓷材料為鋯鈦酸鉛鑭(PlvxLax) (ZryTi1^y) ^x74O3, PLZT)，其中x = 0.1，y = 0.65 ;或者弛豫鐵電陶瓷材料PbMg1/3Nb2/30j^質(zhì)量百分比為71%、鈦酸鉛(PbT13)的質(zhì)量百分比為29%形成的PbMg1/3Nb2/303與PbT1 3的固溶體。其它與實施方式一相同。
[0025]【具體實施方式】三:本實施方式與實施方式一或二不同的是等腰三棱鏡的兩對稱的等腰棱鏡面上蒸鍍或沉積多層介質(zhì)膜，多層介質(zhì)膜對中心波長為SOOnm的光具有高透射率；其它其它與實施方式一或二相同。其中3102與T12周期交替的結(jié)構(gòu)的多層膜，膜厚為λ/4，λ是中心波長800nm。這種多層介質(zhì)增透膜的制備是常規(guī)的膜制備方法。
[0026]【具體實施方式】四:本實施方式與實施方式三之一不同的是高透射率是指透射率大于99.0% ;其它其它與實施方式三之一相同。
[0027]【具體實施方式】五:【具體實施方式】一所述的紫外探測轉(zhuǎn)換器的制備方法，按包括如下步驟:
[0028]—、使用壓力輔助燒結(jié)(Pressure Assistant Sintering, PAS)技術(shù)制備透明的弛豫鐵電陶瓷塊體材料，其帶隙寬度Eg = 3.0?4.0eV，居里溫度為10?60°C，通過調(diào)節(jié)制備氛圍溫度、氣體偏壓和摻雜元素，使制備出的弛豫鐵電陶瓷塊體材料的紫外輻射所致折射率下降的數(shù)值多0.02;
[0029]三、將弛豫鐵電陶瓷塊體材料切割成等腰三棱鏡，其中三棱鏡的截面的等腰三角形的頂角為150?165°，再經(jīng)研磨與拋光，得到紫外探測轉(zhuǎn)換器。
[0030]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】五不同的是步驟一中弛豫鐵電陶瓷塊體材料的紫外輻射所致折射率下降的數(shù)值為0.025?0.05。其他與【具體實施方式】五相同。
[0031]此折射率變化使近紅外光偏離全內(nèi)反射條件而部分從上底面射出。
[0032]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】五或六不同的是在步驟二的研磨與拋光處理后，在兩對稱的等腰棱鏡面上蒸鍍或沉積在中心波長在SOOnm的高透射率(>99.0%)的多層介質(zhì)膜作為增透膜；其中多層介質(zhì)膜是3102與T12周期交替的結(jié)構(gòu)的多層膜。膜厚為λ/4。λ是中心波長800nm。這種多層介質(zhì)增透膜的制備是常規(guī)的膜制備方法。其它與【具體實施方式】五或六相同。
[0033]【具體實施方式】八:【具體實施方式】一所述的紫外探測轉(zhuǎn)換器的使用方法，按以下步驟進(jìn)行:
[0034]搭建設(shè)紫外探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括紫外透鏡陣列2、紫外探測轉(zhuǎn)換器3、紅外反射鏡4、硅探測器陣列5、遮光板6和紅外光光源與準(zhǔn)直系統(tǒng)7 ；
[0035]紫外透鏡陣列2設(shè)置在紫外探測轉(zhuǎn)換器3的上方，從紫外透鏡陣列2射出的紫外光照射在紫外探測轉(zhuǎn)換器3的三棱鏡的上底面上，紅外光光源與準(zhǔn)直系統(tǒng)7射出的紅外平行光照射在紫外探測轉(zhuǎn)換器3的三棱鏡的上底面上，透射出來的紅外光被紅外反射鏡4反射，然后被硅探測器陣列5檢測到，反射出來的紅外平行光被設(shè)置在紫外探測轉(zhuǎn)換器3與硅探測器陣列5之間的遮光板6吸收，以免影響到硅探測器陣列檢測；
[0036]二、從紫外透鏡陣列2射出的紫外光照射到紫外探測轉(zhuǎn)換器3的上底面上，同時紅外光光源與準(zhǔn)直系統(tǒng)7發(fā)出的中心波長在SOOnm