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、氣溫改變以及激光器發(fā)熱導(dǎo)致的熱振動會造成激光器的光斑中心偏移，并且也會使得激光偏離垂直入射光電傳感器的方向，因此需要頻繁地對光斑中心進行快速的精準校正及坐標測量。

實際工程應(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是光強呈對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被后方放置的激光功率計接收到。在待測激光功率不變的情況下，光能大小是刀口位置的函數(shù)。將多次測量結(jié)果代入計算機進行曲線擬合和微分計算，可得到光斑中心的一維坐標。這種方法的主要缺點是：需要用較高精度的光能量計，且引導(dǎo)激光二維定位的測算過程較復(fù)雜。

2.ccd成像法：通過ccd圖像傳感器接收光束，將光強分布轉(zhuǎn)化為二維灰度圖像，通過圖像處理找出光斑中心。這種方法的主要缺點是：當激光能量較高時，ccd前必須加衰減片衰減光能，這會帶來額外的測量誤差。

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

4.中國專利(專利號：zl201110091739.4，名稱：超短脈沖激光的光斑中心坐標的測量裝置及方法，公開號：102243062a，公開日：2011.11.16)公開了一種超短脈沖激光的光斑中心坐標的測量方法，該測量方法不適合測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，但都無法直接解決引導(dǎo)激光束入射方向使之與光敏測量平面垂直的問題。

技術(shù)實現(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量精度低的問題。

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)方案的特點還在于，

其中光敏層由半導(dǎo)體襯底、陰極電極和陽極電極構(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準步驟找到的最優(yōu)光觸發(fā)點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中陰極電極和陽極電極的結(jié)構(gòu)相同且鏡像對稱；陰極電極和陽極電極結(jié)構(gòu)的要求為：電極形狀為外邊緣線為有唯一頂點的弧線。

其中步驟2的具體過程如下：

定義光敏層的上表面為xy平面，設(shè)從陰極電極頂點指向陽極電極頂點的連線在xy平面方向上的投影為x軸，并設(shè)陰極電極頂點在xy平面的投影為xyz三維坐標系的原點，當光子照在光敏層的陰極電極頂點和陽極電極頂點之間的連線上時，光生電子-空穴對在電場作用下分別漂移到陽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方向移動時，當且僅當移動到x軸上時有光電流幅值最大，光斑沿x方向移動時，存在且僅存在一個最優(yōu)光觸發(fā)點a(x0，0，0)使光電流幅值最大；

尋找最優(yōu)光觸發(fā)點a的具體過程如下：

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

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，遮擋層的長和寬尺寸應(yīng)等于或大于光敏層的長和寬，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的光敏層和有十字狹縫的遮擋層組成，使待測激光通過十字狹縫中心垂直入射在光敏層的最優(yōu)觸發(fā)點時光電流達到最大值。本發(fā)明裝置的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、尤其適用于能量密度高且光斑較小的激光束。

附圖說明

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施例中的內(nèi)部電場分布圖；

圖6是本發(fā)明一種用于激光束定位的光電傳感器的實施例中的效果圖。

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

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

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。如果待測激光的波長已知，且激光功率密度較小，則應(yīng)優(yōu)選對該波長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)選對該波長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yag激光切割機所發(fā)出的1064nm高功率脈沖激光，可優(yōu)選600μm厚的gaas為襯底，因為gaas對1064nm波長的吸收屬于非本征吸收，吸收深度約為3mm量級。如果待測激光的脈沖寬度很短(納秒量級或更短)，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和陽極電極2為異側(cè)電極結(jié)構(gòu))。陰極電極1和陽極電極2為常規(guī)工藝制作的歐姆接觸電極，陰極電極1和陽極電極2的外邊緣線均為有唯一頂點的弧線(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a；

步驟2的具體過程如下：

定義光敏層3的上表面為xy平面，設(shè)從陰極電極1頂點指向陽極電極2頂點的連線在xy平面方向上的投影為x軸，并設(shè)陰極電極1頂點在xy平面的投影為光敏層3的xyz三維坐標系的原點o，當光子照在陰極電極1的頂點和陽極電極2的頂點之間(即y＝0且z＝0)時，光生電子-空穴對在電場作用下分別漂移到陽極電極2和陰極電極1的總距離最短，且漂移速度最快(因為y＝0處的電場大于y≠0處的電場，而低場下載流子漂移速度和電場呈正比)，因此光斑沿y方向移動時，當且僅當移動到與x軸相交時有光電流幅值最大，光斑沿x方向移動時，存在且僅存在一個最優(yōu)光觸發(fā)點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a的位置通常更靠近陰極電極。尋找最優(yōu)光觸發(fā)點a的具體過程如下：

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

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的中心對準步驟2找到的最優(yōu)光觸發(fā)點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，待測激光的功率較大時，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的長和寬尺寸應(yīng)等于或大于光敏層3的長和寬，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引導(dǎo)激光束在工作前和工作中多次精準定位，本發(fā)明裝置中的十字狹縫8中心點可作為定位原點，提高激光在雕刻、切割、通信、測量等應(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)通過將本發(fā)明的傳感器安裝在位移臺上，或通過將激光器安裝在位移臺上，或通過將激光途經(jīng)的全反鏡安裝在位移臺上，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)與位移臺的橫向運動方向平行，則縱向狹縫就與位移臺的縱向運動方向平行。

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

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

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可以檢測入射光偏離或接近最優(yōu)光觸發(fā)點a引起的光電流幅值漲落來定位高斯、超高斯或均勻激光的中心點以及判斷光是否垂直入射于光敏層3。

下面給出具體的實施案例：

用暗態(tài)電阻率為10⁷ω·cm量級的半絕緣gaas:el2單晶制作光敏層3的襯底。襯底的長、寬和厚度分別為3.5mm、2mm和0.6mm。陰極電極1和陽極電極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，陰極和陽極的圓心之間相距2.7cm。待測激光束來自脈寬為10ns，波長為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的電場分布圖，是用comsolmultiphysics軟件仿真出的直流偏置電壓下陰極和陽極之間等電位線和電場分布情況(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處的電場最強且載流子漂移距離最短。給當前裸露的光敏層3串接一臺24v直流穩(wěn)壓電源和一臺帶寬為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峰值÷50ω)。以陰極電極1的邊緣頂點為光敏層3的原點，用電動位移臺調(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0.2mm，在每個位置上測量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為5.51mm，因此本實施例中最優(yōu)光觸發(fā)點a的坐標為(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的中心點對準光敏層3上的最優(yōu)光觸發(fā)點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，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可調(diào)載物臺上，遮蓋層4朝向一臺脈寬約為10ns的激光雕刻機，而且將待雕刻的加工件固定在同一載物臺上。設(shè)本發(fā)明裝置的十字狹縫8中心點作為載物臺平面的定位原點，安裝時注意將本發(fā)明裝置的十字狹縫8的橫向狹縫平行于載物臺的橫向運動平移方向，則十字狹縫8的縱向狹縫就平行于載物臺的縱向運動平移方向。用本發(fā)明光電傳感器來引導(dǎo)功率激光束在加工前和加工過程中多次精準定位，可消除激光雕刻過程中累積的位置偏移誤差和解決激光套刻加工中的對位問題。外接一臺0-32v可調(diào)直流偏置電源和一臺帶寬為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)載物臺的橫向坐標、縱向坐標和朝向角度，基于示波器測量光電流脈沖幅值(注意如果光強很大使得示波器顯示電壓信號超過50ω檔位下的最大允許值5v時，為了保護示波器，應(yīng)適當調(diào)低直流偏置電壓)。然后，細調(diào)載物臺的橫向坐標、縱向坐標和朝向角度使示波器上顯示的脈沖信號的峰值達到最大，即表明激光光斑中心已定位在原點且激光束垂直入射在載物臺平面。