CN102322949A

CN102322949A - 一种超高时间分辨固态全光探测器

Info

Publication number: CN102322949A
Application number: CN201110212598A
Authority: CN
Inventors: 王博; 白永林; 刘百玉; 白晓红; 杨文正; 秦君军; 赵军平; 缑永胜
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明提供一种超高时间分辨固态全光探测器，主要解决了现有技术难于实现皮秒级时间分辨的问题。该超高时间分辨固态全光探测器用固态全光探测器包包括磷化铟衬底，磷化铟衬底的前表面设置有激活层，激活层远离磷化铟衬底一侧设置有反射率大于90％的全反射层，磷化铟衬底的后表面设置有反射率大于45％的半反射层。该超高时间分辨固态全光探测器用固态全光探测器具有皮秒(10^-12S)时间分辨和10³-10⁵动态范围。

Description

一种超高时间分辨固态全光探测器

技术领域

本发明属于超快光学信号记录及处理技术领域，具体涉及一种用于皮秒时间分辨的固态全光探测器，可直接应用于分幅成像系统。

背景技术

随着目前产生超快现象的原始物理方案不断完善，处于对超快过程中更加细节信息的追求，超快现象诊断转至的各方面性能参数要求也相应的不断提高，其中最为关注的是成像装置的时间分辨和动态范围。

传统的基于电子测量技术的示波器、条纹和分幅成像技术很难实现皮秒级的时间分辨。因受采样率和幅度抖动限制，示波器和AD转换器难以达到皮秒级的时间分辨；受空间电荷效应限制，条纹变像管诊断技术在动态范围、增益均匀性、时空分辨能力等方面存在较大的局限性，电子束的偏转加速也易受强场物理环境的干扰；受微带上电脉冲的传输速度和渡越时间弥散限制，行波选通分幅成像技术无法获得皮秒级的曝光时间。

发明内容

本发明提供一种超高时间分辨固态全光探测器，主要解决了现有技术难于实现皮秒级时间分辨的问题。

该超高时间分辨固态全光探测器包括磷化铟衬底，磷化铟衬底的前表面设置有激活层，激活层远离磷化铟衬底一侧设置有反射率大于90％的全反射层，磷化铟衬底的后表面设置有反射率为45％～60％的半反射层。

上述的激活层是In_1-xGa_xAs_yP_1-y磷砷镓铟激活层，0.2≤x≤0.4，0.54≤y≤0.73，激活层的厚度为3～8μm，以5μm为佳；磷化铟衬底的厚度为小于60μm，以0.2μm为佳。

上述的全反射层包括至少三层反射膜且层数为奇数，各层反射膜之间按照折射率高、低、高...的周期性结构排列；半反射层包括至少三层反射膜且层数为奇数，各层反射膜之间按照折射率高、低、高、低、高、低、高…的周期性结构排列；全反射层的反射膜数量大于或等于半反射层的反射膜数量。

上述各反射膜的厚度为0.3μm～0.4μm，以0.3875μm为佳，全反射层、半反射层的高反射率反射膜为五氧化二钽反射膜，低反射率反射膜二氧化硅反射膜。

本发明的优点在于：

该超高时间分辨固态全光探测器具有皮秒(10^-12S)时间分辨和10³-10⁵动态范围；与传统的辐射探测器的信号正比与入射能量不同的是，该固态全光探测器的信号正比与入射辐射通量有关，因此传感器的尺寸减小不会损失探测灵敏度；此外，由于辐射引起的非平衡电子-空穴对的分布可被实时有效的探测，免去传统CCD空间电荷转移与收集，采用全光学探测方法，避免强电磁场环境的干扰。因此，该传感器具有皮秒级的时间分辨。

附图说明

图1为本发明具体结构示意图。

具体实施方式

本发明所依据的原理如下：

本发明利用In_1-xGa_xAs_yP_1-y激活介质吸收探测信号的辐射，在其内部引起折射率的分布变化，利用全反射层和半反射层形成的F-P振荡腔，可使探针光在腔内产生多次往返经过激活层，使得探测灵敏度提高的多次振荡，增强待测信号的吸收，引起折射率分布的明显变化，在其后表面通过输入同步的探针激光被该探测器进行调制，通过对探针激光的解析，即可获得辐射光的信息。

其具体是待测信号入射在超高时间分辨固态全光探测器的前表面，同时触发探测激光从探测器后表面入射，待测信号辐射入射在探测器上，在探测器内部产生了瞬态的、非平衡电子空穴分布，引起探测器半导体材料的折射率的快速变化；变化的射率分布对外来探针光进行调制，通过探测解析，可反演出待测信号辐射的瞬变物理过程；由于待测信号辐射诱导的电荷分布可被探针光直接测量，避免了传统电荷传输转移速度的限制，因此实现很高的带宽。

以下结合附图对本发明的具体实施例进行详述：

该超高时间分辨固态全光探测器包括磷化铟衬底1，磷化铟衬底1的厚度为小于60μm，以0.2μm为佳，磷化铟衬底1的前表面设置有激活层2，激活层2是In_1-xGa_xAs_yP_1-y磷砷镓铟激活层2，其中0.2≤x≤0.4，0.54≤y≤0.73，其厚度为3～8μm，以5μm为佳；激活层2远离磷化铟衬底1一侧设置有反射率大于90％的全反射层3，反射率以大于97％为佳，全反射层3包括至少三层反射膜且层数为奇数，以7层为佳，各层反射膜之间按照折射率高、低、高...的周期性结构排列，利用磁控溅射法制作，全反射层3中高反射率反射膜为五氧化二钽反射膜31，低反射率反射膜二氧化硅反射膜32；磷化铟衬底1的后表面设置有反射率为45％～60％的半反射层4，反射率以60％为佳，半反射层4包括至少三层反射膜且层数为奇数，以3层为佳，各层反射膜之间按照折射率高、低、高…的周期性结构排列，利用磁控溅射法制作，半反射层中高反射率反射膜为五氧化二钽反射膜31，低反射率反射膜二氧化硅反射膜32，各反射膜的厚度为0.3μm～0.4μm，以0.3875μm为佳。全反射层的反射膜数量大于或等于半反射层的反射膜数量，以大于为佳。

探测激光采用能量为100mJ，波长为1550nm的探针激光，脉冲宽度为100fs的脉冲激光器。

该超高时间分辨固态全光探测器吸收待测信号的辐射，在探测器内部产生短暂的、非平衡电子空穴对的分布，这些新生的电子-空穴对调制探测器内部的折射率。探测器内部折射率的变化又对探针光进行相位调制，通过对探针光相位调制的解析可获得待测信号的瞬态变化过程；由于辐射引起的非平衡电子-空穴对的分布可被实时有效的测量，免去传统CCD探测所需的电荷分离、收集、转移；因此，该超高时间分辨固态全光探测器的相应时间可以设计皮秒级(10-12s)的时间响应。

Claims

1.一种超高时间分辨固态全光探测器，包括磷化铟衬底，其特征在于：所述磷化铟衬底的前表面设置有激活层，激活层远离磷化铟衬底一侧设置有反射率大于90％的全反射层，磷化铟衬底的后表面设置有反射率为45％～60％的半反射层。

2.根据权利要求1所述的超高时间分辨固态全光探测器，其特征在于：所述的激活层是In_1-xGa_xAs_yP_1-y磷砷镓铟激活层，激活层的厚度为3～8μm，其中0.2≤x≤0.4，0.54≤y≤0.73；磷化铟衬底的厚度小于60μm。

3.根据权利要求1或2所述的超高时间分辨固态全光探测器，其特征在于：所述的全反射层包括至少三层反射膜且层数为奇数，各层反射膜之间按照折射率高、低、高…的周期性结构排列；半反射层包括至少三层反射膜且层数为奇数，各层反射膜之间按照折射率高、低、高…的周期性结构排列；全反射层的反射膜数量大于半反射层的反射膜数量。

4.根据权利要求3所述的超高时间分辨固态全光探测器，其特征在于：所述各反射膜的厚度为0.3μm～0.4μm。

5.根据权利要求4所述的超高时间分辨固态全光探测器，其特征在于：所述全反射层、半反射层的高反射率反射膜为五氧化二钽反射膜，低反射率反射膜二氧化硅反射膜。

6.根据权利要求5所述的超高时间分辨固态全光探测器，其特征在于：所述激活层的厚度为5μm，磷化铟衬底的厚度为0.2μm，反射膜的厚度为0.3875μm。

7.根据权利要求6所述的超高时间分辨固态全光探测器，其特征在于：所述全反射层的层数为7，反射率为97％；半反射层的层数为3，反射率为60％。