(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ放射線センサであって、
銅基板と、
前記基板の上に堆積された配向多結晶バッファ層であって、前記バッファ層は、前記基板の表面の法線に対して約１０度〜約４５度の第１の角度で結晶配向を有する、バッファ層と、
前記バッファ層上に堆積された熱電材料の配向多結晶センサ素子であって、前記熱電材料は、ジスプロシウムバリウムクプラート、コバルト酸ストロンチウムナトリウム、およびコバルト酸ストロンチウムから成る熱電材料の群から選択され、前記センサ素子は、前記基板の前記表面の前記法線に対して約１０度〜約４５度の第２の角度で結晶ｃ−軸配向を有する、センサ素子と、
前記センサ素子と熱的に連通している放射線吸収層と、
前記センサ素子と電気的に接触している離間された第１および第２の細長い電極と
を備えている、レーザ放射線センサ。
【請求項２】
前記センサ素子は、前記第１の電極と第２の電極との間に延びている前記配向多結晶センサ材料の連続層である、請求項１に記載のレーザ放射線センサ。
【請求項３】
前記センサ素子は、前記配向多結晶センサ材料の複数のストリップを含み、前記複数のストリップは、離間され、互に平行で、前記第１の電極と第２の電極との間に延びている、請求項１に記載のレーザ放射線センサ。
【請求項４】
前記センサ素子の前記ストリップは、前記配向多結晶センサ材料の前記結晶ｃ−軸に平行に整列させられている、請求項３に記載のレーザ放射線センサ。
【請求項５】
前記センサ素子と前記放射線吸収層との間に保護層をさらに含む、請求項１に記載のレーザ放射線センサ。
【請求項６】
前記保護層は、酸化マグネシウムおよび二酸化ケイ素のうちの１つの層である、請求項５に記載のレーザ放射線センサ。
【請求項７】
前記放射線吸収層は、炭化ホウ素、窒化チタン、酸化クロム、金黒（ｇｏｌｄ  ｂｌａｃｋ）、および炭素から成る放射線吸収材料の群から選択された放射線吸収材料の層である、請求項６に記載のレーザ放射線センサ。
【請求項８】
前記電極は、金、白金、銀、およびパラジウムから成る金属の群から選択された金属を含む、請求項１に記載のレーザ放射線センサ。
【請求項９】
前記バッファ層は、酸化マグネシウム、イットリウム安定化ジルコニア、および酸化セリウムから成る材料の群から選択された材料の層である、請求項１に記載のレーザ放射線センサ。
【請求項１０】
前記第１および第２の角度は、略同じである、請求項１に記載のレーザ放射線センサ。
【請求項１１】
レーザ放射線センサであって、
高熱伝導材料の基板であって、前記基板は、金属基板である、基板と、
前記基板の上に堆積された配向多結晶バッファ層であって、前記バッファ層は、前記基板の表面の法線に対して、約１０度〜約４５度の第１の角度で結晶配向を有する、バッファ層と、
前記バッファ層上に堆積された熱電材料の配向多結晶センサ素子であって、前記熱電材料は、ジスプロシウムバリウムクプラート、コバルト酸ストロンチウムナトリウム、およびコバルト酸ストロンチウムから成る熱電材料の群から選択され、前記センサ素子は、前記基板の前記表面の前記法線に対して、約１０度〜約４５度の第２の角度で結晶ｃ−軸配向を有する、センサ素子と、
前記センサ素子上に堆積された保護層と、
前記保護層上に堆積された放射線吸収層と、
前記センサ素子と電気的に接触している離間された第１および第２の細長い電極と
を備え、
前記センサ素子は、前記配向多結晶センサ材料の複数のストリップを含み、前記複数のストリップは、離間され、互に平行で、かつ前記第１の電極と第２の電極との間に延びており、前記ストリップの各々は、前記第１および第２の電極と電気的に接触している、レーザ放射線センサ。
【請求項１２】
前記基板は、銅基板である、請求項１１に記載のレーザ放射線センサ。
【請求項１３】
前記バッファ層は、約０．５マイクロメートル〜約３．０マイクロメートルの厚さを有し、前記バッファ層は、酸化マグネシウム、イットリウム安定化ジルコニア、および酸化セリウムから成る材料の群から選択された材料の層である、請求項１１に記載のレーザ放射線センサ。
【請求項１４】
センサ材料の前記ストリップは、約５ナノメートル〜約５００ナノメートルの厚さを有する、請求項１１に記載のレーザ放射線センサ。
【請求項１５】
前記保護層は、約０．２マイクロメートル〜約２．０マイクロメートルの厚さを有し、前記保護層は、酸化マグネシウムおよび二酸化ケイ素のうちの１つの層である、請求項１１に記載のレーザ放射線センサ。
【請求項１６】
前記吸収層は、約０．５マイクロメートル〜約５．０マイクロメートルの厚さを有し、前記吸収層は、炭化ホウ素、窒化チタン、酸化クロム、金黒（ｇｏｌｄ  ｂｌａｃｋ）、および炭素から成る放射線吸収材料の群から選択された放射線吸収材料の層である、請求項１１に記載のレーザ放射線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権の主張）
本願は、米国特許出願第１３／９４４，８３０号（２０１３年７月１７日出願）、および米国仮出願第６１／７０６，０６０号（２０１２年１０月２日出願）を基礎とする優先権を主張する。これらの開示全体は参照により本明細書に援用される。
【０００２】
（発明の技術分野）
本発明は、概して、レーザ放射線検出器に関する。本発明は、具体的には、横方向熱電効果を利用するレーザ放射線検出器に関する。
【背景技術】
【０００３】
レーザ放射線検出器（センサ）は、レーザ放射線パワーが測定または監視される必要があるレーザ用途に使用される。パワー測定は、単純記録維持から、またはいくつかの閉ループ制御配列の一部として必要とされ得る。通常使用される放射線検出器は、フォトダイオードまたは熱電対列のいずれかに基づく。
【０００４】
フォトダイオードベースのセンサは、測定される放射線の光子エネルギーをフォトダイオード内の電子正孔対に変換し、それによって、レーザ放射線パワーの測定で使用される対応電流を発生させることによって、レーザ放射線を検出する。フォトダイオードセンサは、比較的速い時間応答を有し、立ち上がり時間は、典型的には、１マイクロ秒（μｓ）未満である。フォトダイオード検出器の不利点は、制限されたスペクトル応答である。このスペクトル応答は、フォトダイオードを形成するために使用される特定の半導体材料によって決定される。例として、シリコンに基づくフォトダイオードセンサは、約０．２マイクロメータ（μｍ）〜約２．０μｍのスペクトル容認可能幅を有する。フォトダイオードの第２の制限は、比較的に低い光パワー飽和である。フォトダイオードは、典型的には、１００ミリワット（ｍＷ）未満のレーザーパワーの直接測定に制限される。
【０００５】
熱電対列センサは、放射線を吸収し、それによって、素子を加熱する固体素子を含む。素子に接触する１つ以上の熱電対は、素子上に入射するレーザ放射線パワーを表す電流または電圧を生成する。熱電対列センサは、フォトダイオード検出器に対して、遅い応答時間を有する。応答時間は、センサ素子のサイズに依存する。例として、１９ミリメータ（ｍｍ）および２００ｍｍの開口部を伴う放射状の熱電対列は、それぞれ、約１秒および３０秒の応答時間を有する。熱電対列センサのスペクトル応答は、センサの吸収スペクトルに依存する。センサの好適な選択および構成を用いて、スペクトル応答は、紫外線（ＵＶ）波長から遠赤外線波長まで対象とすることができる。十分なヒートシンクを用いて、熱電対列センサは、最大約１０キロワット（ｋＷ）まで、レーザーパワーを測定することができる。
【０００６】
フォトダイオード検出器に匹敵する時間応答および熱電対列検出器に匹敵するスペクトル応答をもたらすために提案される、比較的新しい検出器のタイプの１つは、検出器素子として、異方性横方向熱電材料の層を使用することに基づくものである。そのような異方性層は、配向多結晶結晶形態で材料を成長させることによって、形成され、結晶は、層の平面に非直交に傾斜される。
【０００７】
異方性層は、測定される放射線を吸収し、それによって、層を加熱する。これは、層に対して垂直方向に、異方性材料を通して、温度勾配を生成する。この温度勾配は、順に、温度勾配に対して直角である電場を生成する。電場は、吸収された入射放射線の強度に比例する。そのような検出器は、横方向熱電効果検出器と称され得る。異方性層が十分に薄く、例えば、わずか数マイクロメータ厚さで作製される場合、検出器の応答時間は、フォトダイオード検出器のものに匹敵するであろう。スペクトル応答は、異方性材料の吸収によってのみに制限される。不利点は、横方向熱電効果がフォトダイオードの応答と比較して、比較的弱いことである。
【０００８】
横方向熱電効果検出器の１つは、Ｔａｋａｈａｓｈｉ、他（以後、Ｔａｋａｈａｓｈｉ）に付与された米国特許第８，１２９，６８９号（特許文献１）で説明される。Ｔａｋａｈａｓｈｉは、透明結晶基板の両側に成長させられる第１および第２の異方性材料層を提供することによって、横方向熱電効果の弱さを埋め合わせすることを試みている。Ｔａｋａｈａｓｈｉの検出器では、異方性材料の第１の層によって吸収されない放射線は、第２の層によって、潜在的に吸収される。反射コーティングが、第２の層によって吸収されないいかなる放射線も反射し、両方の層を２回通過させるために、第２の層に追加されることができることが提案されている。
【０００９】
配向多結晶層は、周知の傾斜基板堆積（ＩＳＤ）プロセスによって、堆積されることができる。本プロセスは、米国特許第６，２６５，３５３号（特許文献２）および米国特許第６，６３８，５９８号（特許文献３）で詳細に説明される。配向多結晶層はまた、（いくぶん汎用性が劣る）イオンビーム補助堆積（ＩＢＡＤ）プロセスによっても成長させられる。本プロセスの説明の１つは、Ｃ．Ｐ．Ｗａｎｇ、他による、研究論文“Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｉｎ−ｐｌａｎｅ  ｔｅｘｔｕｒｅｄ  ＭｇＯ  ｏｎ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｓｉ３Ｎ４  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ  ｂｙ  ｉｏｎ−ｂｅａｍ−ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ  ｗｉｔｈ  ｉｏｎ−ｂｅａｍ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ  ｙｔｔｒｉａ−ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ−ｚｉｒｃｏｎｉａ”（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ７１，２０，ｐｐ２９５５，１９９７．）（非特許文献１）において提供される。
【００１０】
上記で説明されたＴａｋａｈａｓｈｉの検出器は、吸収される光の量を増加しながら、異方性材料層が、薄い状態を保つことを可能にするが、ほとんどの商業的用途のために潜在的に非常に高額な費用で、両側に研磨された透明結晶基板を要求する。さらに、Ｔａｋａｈａｓｈｉの検出器配列は、結晶基板を絶縁し、基板を吸熱するための能力を制限する。これは、検出器のパワー処理能力を約１０ワット（Ｗ）未満の最大パワーに制限し、非線形応答をもたらし得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第８，１２９，６８９号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２６５，３５３号明細書
【特許文献３】米国特許第６，６３８，５９８号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｃ．Ｐ．Ｗａｎｇ  ｅｔ  ａｌ“Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｉｎ−ｐｌａｎｅ  ｔｅｘｔｕｒｅｄ  ＭｇＯ  ｏｎ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｓｉ３Ｎ４  ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ  ｂｙ  ｉｏｎ−ｂｅａｍ−ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ  ｗｉｔｈ  ｉｏｎ−ｂｅａｍ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  ｄｅｐｏｓｉｔｅｄ  ｙｔｔｒｉａ−ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ−ｚｉｒｃｏｎｉａ”（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ７１，２０，ｐｐ２９５５，１９９７．）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
１つの側面では、本発明に従った放射線検出器センサは、高熱伝導材料の基板を備えている。配向多結晶バッファ層は、基板表面上に堆積される。バッファ層は、約１０度〜約４５度の第１の角度で結晶配向を有する。バッファ層上に堆積されたジスプロシウムバリウムクプラート、コバルト酸ストロンチウムナトリウム、およびコバルト酸ストロンチウムから成る熱電材料群から選択された熱電材料の配向多結晶センサ素子は、バッファの上面に形成される。センサ素子は、基板の表面の法線に対して約１０度〜約４５度の第２の角度で結晶ｃ−軸配向を有する。センサ素子と熱的に連通している放射線吸収層が、提供される。第１および第２の細長い電極は、センサ素子と電気的に接触し、離間される。
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
（項目１）
レーザ放射線センサであって、
銅基板と、
前記基板の表面上に堆積された配向多結晶バッファ層であって、前記バッファ層は、前記基板の表面の法線に対して約１０度〜約４５度の第１の角度で結晶配向を有する、バッファ層と、
前記バッファ層上に堆積された熱電材料の配向多結晶センサ素子であって、前記熱電材料は、ジスプロシウムバリウムクプラート、コバルト酸ストロンチウムナトリウム、およびコバルト酸ストロンチウムから成る熱電材料群から選択され、前記センサ素子は、前記基板の表面の前記法線に対して約１０度〜約４５度の第２の角度で結晶ｃ−軸配向を有する、センサ素子と、
前記センサ素子と熱的に連通している放射線吸収層と、
前記センサ素子と電気的に接触している離間された第１および第２の細長い電極と
を備えている、レーザ放射線センサ。
（項目２）
前記センサ素子は、前記第１の電極と第２の電極との間に延びている配向多結晶センサ材料の連続層である、項目１に記載のレーザ放射線センサ。
（項目３）
前記センサ素子は、前記配向多結晶センサ材料の複数のストリップを含み、前記複数のストリップは、離間され、互に平行で、前記第１の電極と第２の電極との間に延びている、項目１に記載のレーザ放射線センサ。
（項目４）
前記センサ素子のストリップは、前記配向多結晶センサ材料の前記結晶ｃ−軸に平行に整列させられている、項目３に記載のレーザ放射線センサ。
（項目５）
前記センサ素子と前記放射線吸収層との間に保護層をさらに含む、項目１に記載のレーザ放射線センサ。
（項目６）
前記保護層は、酸化マグネシウムおよび二酸化ケイ素のうちの１つの層である、項目５に記載のレーザ放射線センサ。
（項目７）
前記放射線吸収層は、炭化ホウ素、窒化チタン、酸化クロム、金黒（ｇｏｌｄ  ｂｌａｃｋ）、および炭素から成る放射線吸収材料群から選択された放射線吸収材料の層である、項目６に記載のレーザ放射線センサ。
（項目８）
前記電極は、金、白金、銀、およびパラジウムから成る金属群から選択された金属を含む、項目１に記載のレーザ放射線センサ。
（項目９）
前記バッファ層は、酸化マグネシウム、イットリウム安定化ジルコニア、および酸化セリウムから成る材料群から選択された材料の層である、項目１に記載のレーザ放射線センサ。
（項目１０）
前記第１および第２の角度は、略同じである、項目１に記載のレーザ放射線センサ。
（項目１１）
レーザ放射線センサであって、
高熱伝導材料の基板と、
前記基板の表面上に堆積された配向多結晶バッファ層であって、前記バッファ層は、前記基板の表面の法線に対して、約１０度〜約４５度の第１の角度で結晶配向を有する、バッファ層と、
前記バッファ層上に堆積された熱電材料の配向多結晶センサ素子であって、前記熱電材料は、ジスプロシウムバリウムクプラート、コバルト酸ストロンチウムナトリウム、およびコバルト酸ストロンチウムから成る熱電材料群から選択され、前記センサ素子は、前記基板の表面の法線に対して、約１０度〜約４５度の第２の角度で結晶ｃ−軸配向を有する、センサ素子と、
前記センサ素子上に堆積された保護層と、
前記保護層上に堆積された放射線吸収層と、
前記センサ素子と電気的に接触している離間された第１および第２の細長い電極と
を備え、
前記センサ素子は、前記配向多結晶センサ材料の複数のストリップを含み、前記複数のストリップは、離間され、互に平行で、かつ前記第１および第２の電極との間に延びており、前記ストリップの各々は、前記第１および第２の電極と電気的に接触している、レーザ放射線センサ。
（項目１２）
前記基板は、銅基板である、項目１１に記載のレーザ放射線センサ。
（項目１３）
前記バッファ層は、約０．５マイクロメータ〜約３．０マイクロメータの厚さを有し、前記バッファ層は、酸化マグネシウム、イットリウム安定化ジルコニア、および酸化セリウムから成る材料群から選択された材料の層である、項目１１に記載のレーザ放射線センサ。
（項目１４）
センサ材料の前記ストリップは、約５ナノメータ〜約５００ナノメータの厚さを有する、項目１１に記載のレーザ放射線センサ。
（項目１５）
前記保護層は、約０．２マイクロメータ〜約２．０マイクロメータの厚さを有し、前記保護層は、酸化マグネシウムおよび二酸化ケイ素のうちの１つの層である、項目１１に記載のレーザ放射線センサ。
（項目１６）
前記吸収層は、約０．５マイクロメータ〜約５．０マイクロメータの厚さを有し、前記吸収層は、炭化ホウ素、窒化チタン、酸化クロム、金黒（ｇｏｌｄ  ｂｌａｃｋ）、および炭素から成る放射線吸収材料群から選択された放射線吸収材料の層である、項目１２に記載のレーザ放射線センサ。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する付随の図面は、本発明の好ましい実施形態を概略的に例証し、上記で付与される一般的な説明と以下で付与される好ましい実施形態の詳細な説明とともに、本発明の原理を説明するための役割を果たす。
【図１】図１は、銅基板と、基板上のバッファ層と、バッファ層上のセンサ層と、センサ層上の保護層と、保護層上の吸収層とを含み、センサ層と電気的に接触している離間された電極を伴う、本発明に従った横方向熱電検出器の好ましい実施形態を概略的に例証する断面図である。
【図２】図２は、図１の検出器に関する好ましい電極の配列およびパターン化されたセンサ層材料を概略的に例証する上側からの平面図である。
【図３】図３は、図２の検出器の実施例に関する入射ＣＷレーザ放射線パワーの関数として測定された横方向熱電信号を概略的に例証するグラフであり、そのセンサ層は、ジスプロシウムバリウムクプラートの層である。
【図４】図４は、図３の検出器の実施例に関する入射１０ナノ秒パルス状エネルギーの関数として測定されたピーク熱電圧および反射エネルギーを概略的に例証するグラフである。
【図５】図５は、単一の１０ナノ秒パルスによる照射に応答する、図４の検出器の実施例に関する時間の関数として横方向熱電圧信号を概略的に例証するグラフである。
【図６】図６は、図３の検出器の実施例における効率性の正規化された空間的均一性を概略的に例証する等高線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ここで、図面を参照すると（同一構成要素は、同一参照数字によって指定される）、図１は、本発明に従った横方向熱電センサの好ましい実施形態３０を概略的に例証する。センサ３０は、高熱伝導材料の基板３２を含む。基板３２に関する好ましい材料は、銅（Ｃｕ）である。銅は、高熱伝導および比較的安い費用のため、好ましい材料である。基板３２は、研磨された表面３２Ａを有し、好ましくは、約０．５μｍ未満のＲＭＳ粗度を有する。基板は、随意に、受動的または能動的に冷却されることができる、ヒートシンク４８に接触する。
【００１６】
配向多結晶バッファ層３４が、基板の表面３２Ａ上に堆積される。バッファ層３４に関する好ましい材料は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）である。他の好適なバッファ層材料として、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）と、酸化セリウム（ＣｅＯ２）とが挙げられる。バッファ層３４は、その結晶軸（ｃ軸）４６を伴う円柱粒状構造を有し、その結晶軸は、基板表面３２Ａの法線４７に対して、その方向において角度α、約１０度〜約４５度だけ傾いている。図面において、結晶軸のａ−ｃ平面は、図面の平面内にあり、結晶ｂ−軸は、その図面の平面に垂直である。バッファ層に関する好ましい厚さは、約０５μｍ〜約３０μｍである。
【００１７】
センサ材料３６の層３６が、バッファ層３２上に堆積されている。バッファ層の傾斜配向結晶構造は、センサ材料の層を所望の過渡熱電効果を提供するために必要な傾斜多結晶形態で成長させる。傾けられた結晶構造は、長い破線によって図面に示される。
【００１８】
バッファの使用は、基板が結晶性である必要性をなくし、好ましい銅基板の使用を可能にする。センサ層の結晶配向（ｃ軸配向）は、バッファ層のもの、すなわち、約１０度〜約４５度、さらなる可能性として、約１５度〜約４０度に匹敵する。バッファおよびセンサ層に関する傾斜角度は、提示された範囲内でほぼ同じまたは若干異なる角度であり得る。
【００１９】
センサ層の材料は、ジスプロシウムバリウムクプラート（ＤｙＢａ２Ｃｕ３Ｏ７−ｄ、多くの場合、ＤｙＢＣＯと省略される）、コバルト酸ストロンチウムナトリウム（Ｓｒ０．３Ｎａ０．２ＣｏＯ２）、およびコバルト酸ストロンチウム（Ｓｒ３Ｃｏ４Ｏ９）から成る熱電材料群から選択された材料である。ジスプロシウムバリウムクプラートは、最も好ましい。センサ層３６に関して好ましい厚さは、約５ナノメートル（ｎｍ）〜約５００ｎｍである。この厚さは、バッファ層の厚さ未満であり、センサ層にわたって高い温度勾配を生成するために必要とされる。
【００２０】
随意に、層５０が、環境劣化からセンサ層を保護するために堆積される。そのような保護層は、ＤｙＢＣＯがセンサ層３６のために使用される場合、重要である。保護層に関する好ましい材料として、ＭｇＯおよび二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）が挙げられる。保護層がない場合、ＤｙＢＣＯの熱電特性は、雰囲気酸素および高温への露出に伴って、比較的速い時間の間で劣化するであろう。同様に、ストロンチウムコバルトおよびコバルト酸ストロンチウムは、大気湿度への露出によって劣化される。保護層５０に関する好ましい厚さは、約０．２μｍ〜約２．０μｍである。
【００２１】
光学的黒色（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  ｂｌａｃｋ）放射線吸収層４２が、保護層５０上に成長させられる。この層の吸収スペクトルは、本質的に、発明の横方向熱電放射線センサのスペクトル応答を決定する。層４２に関して好適な材料として、炭化ホウ素、窒化チタン、酸化クロム、金黒（ｇｏｌｄ  ｂｌａｃｋ）、または炭素が挙げられる。吸収層は、好ましくは、約０．５μｍ〜約５．０μｍの厚さを有する。選択される材料に関わらず、層４２は、好ましくは、放射線の約９５％以上が吸収され、吸収層内部の熱に変換されるように、十分な厚さに作製される。層４２内の不完全な吸収は、準最適な熱電応答信号をもたらし、非線形応答をもたらし得る。
【００２２】
放射線吸収層が、入射放射線によって加熱されると、温度勾配が、放射線吸収層と銅基板３２との間のセンサ層３６にわたって形成される。傾けられた結晶軸から生じるセンサ層３６の熱電特性の高異方性のため、センサ層の厚さにわたる熱流動は、その熱流動（温度勾配）方向に対して垂直（それに対して横方向）であるセンサ層内に電場を生成する。この横方向の電場は、センサ層材料に対する結晶のａ−ｂ方向とｃ方向とにおけるゼーベック係数の著しく異なる値から生じる。
【００２３】
互に平行かつ離間される細長い電極３８および４０が、それらと電気的に接触するセンサ層３６上に堆積される。電極に関する好適な材料として、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、およびパラジウム（Ｐｄ）が挙げられる。電極間の横方向電場は、吸収層への入射放射線パワーに線形比例した電圧を電極間にもたらす。この電圧は、以下の方程式によって、近似化されることができる。
【００２４】
【数１】
0006279589.tif 000002
【００２５】
式中、Ｖｘは、第１の電極３８と第２の電極４０との間に生成される電圧、ｔは、センサ層３６の厚さ、ΔＴｚは、センサ層３６にわたる温度差、αは、層３６の結晶のｃ−軸の傾き角度、ＳａｂおよびＳｃは、それぞれ、センサ層のａ−ｂおよびｃの結晶方向におけるゼーベック係数、Ｌは、レーザ放射線の入射ビームの直径。
【００２６】
図２は、センサ層３６の好ましい配列を概略的に例証する上側からの平面図であり、センサ層は、複数のストリップ３６Ａにパターン化され、その各々が、電極３８と４０との間に延びている。ストリップの幅は、Ｗ１として指定され、ストリップ間の間隙の幅は、Ｗ２として指定される。本明細書では、ストリップは、センサ層のｃ−軸方向と平行に整列させられている。ストリップは、熱電材料の連続層のフォトリソグラフィおよびウェットエッチングによって形成されることができる。層３６は、この説明および添付の特許請求の範囲の目的のために、センサ素子として定義されることができ、その用語は、連続センサ層、および／または図２の平行ストリップにパターン化された層、またはある他のパターンに適用される。
【００２７】
本発明の検出器１つの実施例では、約３００μｍの幅Ｗ１、それらの間の約５０μｍの間隙Ｗ２、約３３ｍｍの電極間の長さ、およびストリップのパターンを横切る約３２ｍｍの幅を有するＤｙＢＣＯのストリップ（ｃ軸整列）は、検出器が約１００ワット（Ｗ）のパワーを有する二酸化炭素（ＣＯ２）レーザ放射線によって照射された場合、約１００マイクロボルト（μＶ）の熱電信号を提供した。パターンなし、すなわち、電極間の連続シートとしてのセンサ素子３６の場合、熱電信号電圧は、約３５μＶであった。
【００２８】
本発明の検出器の別の実施例では、上記の実施例のような寸法を伴うが、ストリップ３６Ａがｃ軸方向に対して４５度で整列させられている場合、熱電信号は、約６０μＶであった。さらに別の実施例では、４５度で整列させられているストリップを伴うが、Ｗ１およびＷ２の各々が、約１００μｍの場合、熱電信号は、約６１μＶであった。これらの例示的な結果は、検出器の所与の活性面積に対して、熱電信号は、熱電材料の結晶ｃ軸とのセンサ材料ストリップの整列に依存するが、ストリップの幅およびそれらの間の間隙に対して敏感でないことを示す。実際、１〜６のストリップ幅対間隙の比率が試験され、熱電応答における有意な変化は観察されなかった。
【００２９】
図３は、図２で表現されるＤｙＢＣＯセンサ素子パターンを有する本発明の検出器の実施例に関する入射ＣＷＣＯ２レーザーパワーの関数として熱電信号電圧を概略的に例証するグラフである。再び、活性面積は、３３ｍｍ×３２ｍｍである。これは、個々のデータ点（円形）を、センサ応答がまさに線形である最良適合直線と比較することによって分かる。
【００３０】
図４は、１０６４−ｎｍ固体レーザからの入射１０ナノ秒（ｎｓ）パルスに応答する図３の検出器の実施例に関する入射パルスエネルギーの関数として、ピーク熱電圧（円形）および反射エネルギー（ひし形）を概略的に例証するグラフである。図４のグラフ内の実直線は、円形（ピーク電圧）データ点に対して最良適合であり、ＣＷ放射線を用いて経験される応答の図３のグラフと同じ高い線形度を示す。
【００３１】
図５は、図４のグラフのパルスのうちの１つに対して、時間の関数として熱電信号を概略的に例証するグラフである。その信号の応答時間（立ち上がり時間）は、約６４０ナノ秒であり、これは、フォトダイオード検出器の応答に匹敵する。
【００３２】
センサ層３６の上記で説明されたパターンは、本発明の検出器の感度だけでなく、その感度の空間的均一性も改善する。図３および４の検出器の感度の正規化された空間分布が、図６に概略的に表現される。検出器のほとんどの有用な面積にわたる空間的均一性は、約±５％であることが分かる。パターン化されたセンサ層がない同一の検出器に関する空間的均一性は、同一の領域にわたり約±２０％であった。
【００３３】
本発明の検出器のパワー処理能力に関して、任意の特定の基板およびバッファ層について、これは、センサ層材料の選択によって決定されるであろう。実施例として、ジスプロシウムバリウムクプラート等の銅酸化物は、３５０℃以下の最大使用温度を有する。熱伝導計算に基づいて、センサ材料としてジスプロシウムバリウムクプラートを使用する検出器は、最大約２キロワット（ｋＷ）の放射線パワーを測定することに制限されるであろうことが推定される。コバルト酸ストロンチウム等のコバルト横方向熱電材料は、原則として、３５０℃以上の使用温度を有し、２ｋＷより大きいレーザーパワーの測定を可能にするはずである。
【００３４】
要約すると、本発明は、好ましくかつ他の実施形態の観点から説明される。しかしながら、本発明は、本明細書に説明かつ描写された実施形態に制限されない。むしろ、本発明は、本明細書に添付された特許請求の範囲によってのみ制限される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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