專利名稱：鋯鈦酸鉛熱釋電型激光功率能量計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于激光參數(shù)測量儀器領(lǐng)域。
激光功率能量計是激光參數(shù)測量的基本工具，目前應(yīng)用最普遍的激光功率能量計是熱偶型，即溫差電偶型探測器。它是由幾十對甚至幾百對溫差電偶連接而成，在電偶的一個接頭涂上黑層或加上一片黑色材料，當(dāng)光輻射照射到這個黑體時，產(chǎn)生的溫差電動勢的大小就反映出入射光輻射功率的值，如中國專利申請85100696所提供的激光輻射探測器就屬于這一類型。熱偶型探測器的缺點是響應(yīng)時間一般為30～50ms，且制做工藝比較復(fù)雜。中國專利申請86207853所提供的聚偏氟乙烯薄膜激光輻射探測器，靈敏度為10mv／mj，響應(yīng)時間為0.5ms，最大可承受功率密度為100MW／cm2。由于聚偏氟乙烯薄膜的“居里點”僅為幾十度，因而自身難以承受高的功率密度，利用它做成的激光功率能量計在應(yīng)用上受到限止。為了克服這一缺點，在其表面加上一層石墨吸收體后，雖最大承受功率密度達(dá)到300MW／cm2，但其靈敏度和響應(yīng)時間由此而降低了很多。
參考文獻(xiàn)1、86年哈爾濱中日電子傳感技術(shù)科學(xué)討論會論文匯編P129“用于激光及其光輻射探測器的PVDF薄膜傳感器”本實用新型的目的在于克服上述最通用的兩大類型激光功率能量計的缺點，提供一系列靈敏度高、響應(yīng)快、量程寬、承受功率密度大的激光功率能量計，并且提供一種新型雙腔激光功率能量計和一種新型劈形激光功率能量計。
本實用新型所提供的激光能量計，其核心主要由熱敏傳感元件和吸收體兩部分組成。
熱敏傳感元件采用鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷(以下簡稱PZT)熱釋電材料。該材料具有100mv／mj的高靈敏度和20μs的響應(yīng)時間。它們的“居里點”大都在300°－400℃之間，自身質(zhì)地堅硬能承受300MW／cm2的功率密度。并且在PZT的表面一般都鍍有銀電極，因而能量計的信號引線就可直接分別從PZT兩表面的銀電極引出。所使用的熱敏傳感元件PZT陶瓷片可以是圓形、方形或其它任何形狀，它的厚度可從0.01mm┄10mm，平面型PZT片的面積可從0.5mm2┄30000mm2。斜劈型和錐腔形的腔體的腔口可從φ1mm┄φ100mm，頂角可從5°－180°，壁厚從0.01mm┄5mm。
吸收體可以是石墨、碳粉、墨，也可以是鋁、銅、鐵等金屬及其氧化物，形狀不限，還可以直接把PZT表面的電極層作為吸收體。這些吸收體可以涂、貼、粘、鍍、淀積在熱敏傳感元件PZT基片表面或基片的電極表面。把很薄的石墨、碳粉、墨或煮黑、氧化的金屬片等黑色吸收體粘、貼、涂、鍍或淀積在PZT的電極表面，做成測量從毫微焦耳到焦耳級的高靈敏度能量計。把較厚的石墨、金屬氧化物或具有一定反射、散射的金屬片等粘、貼在PZT的電極表面，做成測量從毫焦耳到幾十、幾百以至上千上萬焦耳的中、大能量的能量計。把吸收體附在PZT的一個電極表面，構(gòu)成普通的單腔型激光能量計；把兩個不同的吸收體分別附在PZT的兩個電極表面，構(gòu)成兩面具有不同靈敏度、響應(yīng)時間和承受功率密度的新型雙腔型激光能量計。
本專利提供的激光能量計，其結(jié)構(gòu)包括通用的如

圖1所示的平面型和圖3所示的錐腔型外，同時提供兩種新型結(jié)構(gòu)，一種是如圖2所示的雙腔型結(jié)構(gòu)，一種是用兩個矩型平面PZT片組成一個劈形代替圖3中錐腔的劈形結(jié)構(gòu)。
圖1所示是一般平面結(jié)構(gòu)的單腔型激光能量計，它由腔體(1)、絕緣套(2)、熱沉塊(3)、PZT基片(4)、吸收體(5)、壓環(huán)(6)、螺絲壓環(huán)(7)、腔蓋(8)共8個部分組成，其PZT基片(4)的“＋”極面貼在熱沉塊(3)上，形成整體同軸型結(jié)構(gòu)，有很好的抗干擾能力。
圖2所示是一種新型平面形結(jié)構(gòu)的雙腔型激光能量計，它是由蓋頭(1)、腔蓋(2)、腔體(3)、吸收體A(4)、PZT基片(5)、吸收體B(6)、絕緣壓環(huán)(7)、螺絲壓環(huán)(8)組成，吸收體B(6)是薄層強(qiáng)吸收材料，具有高的靈敏度，這面用來測量小能量激光脈沖，吸收體A(4)是厚是或具有散射和反射的材料，具有較低的靈敏度，而具有承受高功率密度脈沖激光的強(qiáng)度，可測大能量激光脈沖，此種雙腔型能量計的探頭相當(dāng)于兩個普通的單腔型的能量計探頭。把PZT基片(5)的“＋”極面和吸收體A(4)接觸，在測量小能量激光時，只要蓋上吸收體A(4)一端的蓋頭(1)就具有良好的屏蔽作用。
圖3所示是一般錐腔形結(jié)構(gòu)的激光能量計，它由同軸插座(1)、腔體(2)、絕緣墊環(huán)(3)、熱沉塊(4)、PZT材料做成的錐腔(5)、吸收體(6)、壓環(huán)(7)、螺絲壓環(huán)(8)、腔蓋(9)、墊圈(10)幾部分組成。
用兩個矩形平面PZT片組成一個劈形代替圖3中錐腔(6)，只要將圖3中的熱沉塊(4)和吸收體(6)做相應(yīng)的改變，就做成新型結(jié)構(gòu)的劈形激光能量計。
本激光能量計達(dá)到的典型指標(biāo)為光譜響應(yīng)范圍0.25┄25μm靈敏度100mv／mj響應(yīng)時間20μs承受功率密度300MW／cm2
分辨力10－9J根據(jù)功率W＝能量E／時間T的原理，利用前述的各種激光能量計，制做成斬波式如圖4所示和取樣斬波式如圖5所示兩種類型的激光功率計。
在各種結(jié)構(gòu)的能量計吸收體的一方加一個斬波裝置，就制成斬波式激光功率計。
把熱敏傳感元件和吸收體做成一定角度的扇形或三角形，把它們以葉片的形式裝在馬達(dá)軸上或一個由馬達(dá)帶動旋轉(zhuǎn)的圓盤上，制成取樣斬波式激光功率計。只要控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)動，可以單次取樣，也可以周期性重復(fù)頻率取樣。取樣斬波式功率計是一種以“動”代替?zhèn)鹘y(tǒng)“靜”的測量方法，不僅是一種無冷卻測量從微瓦到萬瓦連續(xù)激光的功率計、而且還能檢測萬瓦級激光輸出功率在毫秒級間的起伏和穩(wěn)定性，同時可無需間斷工作而隨時監(jiān)測其激光功率。
圖4所示是斬波式激光功率計，它是由螺母壓環(huán)(1)、壓環(huán)(2)、吸收體(10)、PZT片(4)、絕緣套(3)、馬達(dá)(5)、固定片(6)、斬波盤(8)、前蓋(9)、外殼(7)十個部分組成，此種功率計適合于中小功率的測量。
圖5所示是取樣斬波式激光功率計，它主要由馬達(dá)(1)、PZT葉片(2)、吸收體(3)、絕緣環(huán)(5)和電極環(huán)(4)五部分組成。它的信號引線是順著馬達(dá)分別連接在兩個電極環(huán)(4)上，然后由石墨滑塊從電極環(huán)上把信號引出。信號的引出也可用軸承或滾珠等引出。用PZT熱敏傳感元件和吸收體做成的葉片，可以是一個，也可以是多個。即使選用一個探測器葉片，只要以不同的轉(zhuǎn)速，就可測量從微瓦到萬瓦的大范圍激光功率。因為它是瞬態(tài)取樣，加之旋轉(zhuǎn)冷卻，即使是測量萬瓦激光功率也無需外加任何特殊冷卻措施與手段。PZT的“－”極面與吸收體連接，如果需要，可以用金屬導(dǎo)電材料把PZT的“＋”極面與側(cè)面包來，具有良好的屏蔽作用。在它們的外部可以加外殼，也可以不加外殼。
本激光功率計達(dá)到的典型指標(biāo)為光譜響應(yīng)范圍0.25┄25μm測量范圍1μW┄104W實施例1制做圖1所示平面單腔型激光能量計，用鋼材制做長25mmφ50mm腔體(1)、螺母壓環(huán)(7)和腔蓋(8)并煮黑。用紫銅制做熱沉塊(3)和φ20mm的壓環(huán)(6)，用有機(jī)玻璃制做絕緣套(2)，選用φ20mm厚0.5mm的PZT5片(4)，把φ20mm厚100μm的石墨片做為吸收體(5)，并用碳導(dǎo)電膠把吸收體(5)粘貼在PZT片(4)的“－”極一面。用同軸電纜引出信號。
實施例2制做圖2新型平面形狀結(jié)構(gòu)的雙腔激光能量計，用鋼材制做φ44mm的蓋頭(1)、腔蓋(2)、長25mmφ60mm的腔體(3)、φ40mm的螺母壓環(huán)(8)并煮黑，用1mm厚的有機(jī)玻璃板制成φ40mm的絕緣壓環(huán)(7)，選用1mm厚φ40mm的PZT片(5)，在PZT5的“－”極面涂碳粉做成吸收體B(6)，用φ40mm厚0.2mm的石墨片做為吸收體A(4)，并把吸收體A(4)用銀導(dǎo)電膠粘貼在PZT5的“＋”極一面。用同軸電纜引出信號。
實施例3按實施例2制做，在吸收體A(4)和PZT5片(5)的中間加進(jìn)厚1mmφ40mm的印刷電路板和另一片厚1mmφ40mm的PZT5片并用此印刷電路板把兩片PZT5片隔開，用兩根同軸電纜分別把兩面腔的信號引出，做成獨立型雙腔激光能量計。
實施例4制做圖3所示的錐腔形結(jié)構(gòu)的激光能量計，用鋼材制成腔體(2)，錐腔體口徑為φ50mm，用黃銅做成熱沉塊(4)、φ40mm壓環(huán)(7)，螺母壓環(huán)(8)與壓環(huán)(7)一樣大，腔蓋(9)和腔體(2)采用煮黑，絕緣墊環(huán)(3)為有機(jī)玻璃制做，墊圈(10)為φ40mm有機(jī)玻璃，選用頂角為45°厚1mm的PZT－4材料做成錐腔(5)，選用頂角為45°厚0.2mm的石墨錐腔做為吸收體(6)，用碳導(dǎo)電膠把熱沉塊(4)、錐腔(5)和吸收體(6)粘在一起，用同軸電纜引出信號。
實施例5按實施例4制做，用兩片長50mm寬40mm厚1mm的PZT4做成45°的劈形代替錐腔(5)，熱沉塊(4)和吸收體(6)做相應(yīng)的改變，做成劈形結(jié)構(gòu)的激光能量計。
實施例6制做圖4所示的斬波式激光功率計。用厚0.5mmφ20mm的摻鎂PZT片做PZT片(4)，用厚0.1mmφ20mm的石墨片做吸收體(10)，用有機(jī)玻璃制做絕緣套(3)，用鋁材制做螺母壓環(huán)(1)、壓環(huán)(2)、固定片(6)、斬波盤(8)、前蓋(9)和外殼(7)，并煮黑，選用錄音機(jī)小馬達(dá)(5)，用同軸線分別引出馬達(dá)和信號線。
實施例7制做圖5所示的取樣斬波式激光功率計。選用錄音機(jī)小型直流馬達(dá)(1)，用厚1mm，長6cm，角度為3度的PZT制做一個葉片(2)，用厚0.5mm、長6cm、角度為3度的石墨片制做吸收體(3)，并用銀導(dǎo)電膠把吸收體(3)粘在PZT葉片(2)上，用銅制做電極環(huán)(4)，用尼龍制做絕緣環(huán)(5)，用合金鋁板制做一個方形外殼，在對應(yīng)于馬達(dá)(1)上部，葉片(2)可掃過的區(qū)域開一個φ35的圓孔，這個圓孔即是功率計的腔口，又是激光束透射的窗口。
實施例8按實施例7制做，在馬達(dá)(1)的轉(zhuǎn)盤上安裝3個由PZT和吸收體組成的葉片。
本實用新型所提供的鋯鈦酸鉛熱釋電型激光功率能量計，不僅使PZT系列熱釋電材料的高靈敏度、快響應(yīng)速度和較高的“居里點”與吸收體的寬光譜吸收和能承受高功率密度輻射能力的優(yōu)點得到了統(tǒng)一，集于一體。而且利用材料特點制做出熱偶型探測器等無法實現(xiàn)的雙腔新型結(jié)構(gòu)的能量計。本激光功率計的制做工藝也是目前同類結(jié)構(gòu)能量計最為簡便和經(jīng)濟(jì)的。它具有廣泛的實用價值與應(yīng)用，易于推廣生產(chǎn)。
權(quán)利要求1.一種由熱敏傳感元件及吸收體、組成的激光功率能量計，其特征在于熱敏傳感元件采用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷做成，腔體(1)內(nèi)嵌有絕緣套(2)它與熱沉(3)相連，熱敏傳感器(4)的“+”極貼在熱沉(3)上，吸收體(5)做在熱敏傳感器(4)的一個或二個平面上。構(gòu)成一體，形成單腔或雙腔激光功率能量計。
2.按權(quán)利要求1所述的激光功率能量計，其特征在于其熱敏傳感元件可以是鋯鈦酸鉛系列熱釋電陶瓷材料做的， 其厚度可以從0.01mm┄10mm，面積可以從0.5mm2┄30000mm2。
3.按權(quán)利要求1所述的激光功率能量計，其特征在于熱敏傳感器和吸收體的形狀可以是園、方、劈形、錐形的幾何形狀。
4.按權(quán)利要求1、2、3、所述的激光功率能量計，其特征在于吸收體(4)可以是石墨、碳粉、黑漆、氧化金屬膜等黑色吸收層。
5.按權(quán)利要求1所述的激光功率能量計，其特征在于，把熱敏傳感元件PZT片和吸收體做成扇形或三角的葉片，裝在馬達(dá)軸上或一個由馬達(dá)帶動旋轉(zhuǎn)的圓盤上，制成取樣斬波式激光功率計。
專利摘要本實用新型屬于激光參數(shù)測量儀器領(lǐng)域。該儀器采用鋯鈦酸鉛(簡稱PZT)系列熱釋電陶瓷材料做為熱敏傳感元件，在其表面上附上吸收體，從而制成普通的平面形和錐腔形的單腔激光能量計與新型的雙腔平面形和劈形的激光能量計，制成斬波式和取樣斬波式激光功率計。
文檔編號G01J1/42GK2071334SQ8922054
公開日1991年2月13日 申請日期1989年12月6日 優(yōu)先權(quán)日1989年12月6日
發(fā)明者呂惠賓, 周岳亮, 陳正豪, 崔大復(fù), 謝苑林 申請人:中國科學(xué)院物理研究所