利用半导体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置

摘要

本发明公开了一种利用半导体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置，用于解决现有测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置测量效率低的技术问题。技术方案是包括可调谐激光器、单模光纤、光纤环行器、半导体晶片、高带宽光电探测器和示波器。可调谐激光器输出激光经单模光纤导引到光纤环行器，光纤环行器的输出口2将激光传输到半导体晶体表面，光纤环行器的输出口3通过长距离单模光纤与高带宽光电探测器输入口相连，高带宽光电探测器输出口接示波器。本发明使用300微米厚的半导体晶片做探测介质，提高了MeV核辐射脉冲的沉积效率，并使装置输出有效信号，提高了背景技术装置进行MeV核辐射脉冲探测时的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置，特别是涉及一种利用半导 体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置。

背景技术

参照图1。等倾干涉形成的基本过程如图1所示，这是利用半导体晶片做等倾干 涉仪的原理基础。在前后表面仅作抛光处理而不镀膜时，反射率较低(～30％)，等倾 干涉可以近似为双光束干涉。一束光是从半导体晶片前表面反射的光2，另一束是折 射进入半导体晶片进而从后表面反射再从前表面出射的光2”，两束光在前表面及附近 空间发生干涉。半导体晶片折射率发生变化时，两束光的光程差也发生变化，进而使 干涉光强空间分布发生变化。

惯性约束核聚变(InertialConfinementFusion，ICF)诊断技术迫切需要高时间分 辨(皮秒，picosecond，简写为ps，1ps＝10^-12s)的MeV核辐射脉冲测量技术，传统 的探测技术无法实现这么高的时间分辨能力。利用半导体折射率对核辐射脉冲的响应 进行测量，是近年来发展起来的一种新的探测方法，将激光通讯中高带宽、高时间分 辨记录的优点利用到核辐射脉冲测量领域。

利用脉冲辐射对材料光学性质的改变效应，将核辐射脉冲强度转换为激光强度的 变化，而激光脉冲更易于远程高带宽传输与记录。材料对光波的响应可用复折射率表示

$\tilde{N}=n\left(\omega \right)+i\kappa \left(\omega \right)---\left(1\right)$

ω为光波圆频率，n(ω)为实折射率，表征材料对光波的相位改变，κ(ω)表征材料的吸 收特性，与吸收系数α(ω)有关系：α(ω)＝4πκ(ω)/λ，λ为光波波长。n(ω)与κ(ω)并不 独立，由关系联系：

$n\left({\omega }^{\prime }\right)-1=\frac{2}{\pi }F{\int }_0^{\infty }\frac{\omega \kappa \left(\omega \right)}{{\omega }^2-{\omega }^{\prime 2}}d\omega ---\left(2\right)$

F为主值积分。由(2)式，吸收系数的改变必然引起光波相位的变化。

在光波波段，材料吸收系数变化与非平衡载流子引起的带隙收缩、带填充或自由 载流子吸收等效应有关。对于波长长于半导体禁带宽度的光，自由载流子吸收效应起 主要作用，引起的折射率变化Δn由Drude等离子体吸收关系描述：

$\Delta n(N_e,P_h,\lambda )=-\frac{e^2{\lambda }^2}{8{\pi }^2{c}^2{ϵ}_{0}n}[\frac{N_e}{m_e}+\frac{P_h}{m_h}]---\left(3\right)$

N_e、P_h分别为电子、空穴浓度，m_e、m_h分别为电子、空穴的有效质量，m_e0为电子静 止质量，n为照射前折射率，e为电子电量，λ为探针光波长，ε₀为真空介电常数，c 为真空中的光速。

射线脉冲在半导体内产生非平衡载流子，使材料折射率发生微弱变化，非平衡载 流子经过复合过程消失后，半导体的折射率恢复原值。折射率变化通过测量干涉仪干 涉光强输出变化实现，这样利用这种过程就可以实现射线脉冲时间宽度的测量。上述 为这种技术的基本原理。

这种测量技术在应用中的不足：美国利弗莫尔国家实验室的科技人员，利用上述 原理发展了一种核辐射脉冲超快时间分辨测量技术，时间分辨达到了1ps(X-ray bang-timeandfusionreactionhistoryatpicosecondresolutionusingRadOpticdetection. ReviewofScientificInstruments,2012,Vol.83,No.10,10D307)。但是，他们使用InGaAsP 量子阱材料做探测介质，这是一种在砷化镓(GaAs)中掺杂了铟(In)、磷(P)的 多层材料，总厚度仅能生长5微米，这使得探测系统不能探测光子能量MeV的核辐 射脉冲。而探测MeV核辐射脉冲是迫切需要在ICF诊断中解决的重要问题。要探测 MeV核辐射脉冲，要求使用更厚的半导体介质以提高探测效率。目前，各种半导体在 MeV核辐射脉冲作用下折射率变化测试装置还没有建立，各种半导体在MeV核辐射 脉冲作用下的折射率变化规律也有待探索。

发明内容

为了克服现有测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置测量效率低的不足，本发明提 供一种利用半导体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置。该装置包括可调 谐激光器、单模光纤、光纤环行器、半导体晶片、高带宽光电探测器和示波器。可调 谐激光器输出激光经单模光纤导引到光纤环行器，光纤环行器的输出口2将激光传输 到半导体晶体表面，光纤环行器的输出口3通过长距离单模光纤与高带宽光电探测器 输入口相连，高带宽光电探测器输出口接示波器。本发明使用300微米厚的半导体晶 片做探测介质，提高了MeV核辐射脉冲的沉积效率，并使装置输出有效信号，解决了 背景技术装置进行MeV核辐射脉冲探测时效率低的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用半导体折射率变化测量 MeV核辐射脉冲时间宽度的装置，其特点是包括可调谐激光器、单模光纤、光纤环行 器、半导体晶片、高带宽光电探测器和示波器。可调谐激光器输出激光通过单模光纤 与光纤环行器的输入口1连接，光纤环行器的输出口2接另一单模光纤的一端，另一 单模光纤的另一端用FC/APC型光纤接头贴近半导体晶片表面，光纤环行器的输出口 3通过长距离单模光纤与高带宽光电探测器输入口相连，高带宽光电探测器输出口接 示波器。所述半导体晶片厚度为300微米。可调谐激光器输出激光通过单模光纤导引 到光纤环行器的输入口1，光纤环行器完成激光的单向传输。光纤环行器的输出口2 通过单模光纤，将激光传输到半导体晶体表面，半导体晶体前表面和后表面反射的激 光发生干涉，一部分干涉光再次进入光纤环行器的输出口2，光纤环行器的输出口2 将干涉光环行输出到光纤环行器的输出口3，经长距离单模光纤导引到高带宽光电探 测器，高带宽光电探测器将激光光强度变化转换为电脉冲由示波器记录。

本发明的有益效果是：该装置包括可调谐激光器、单模光纤、光纤环行器、半导 体晶片、高带宽光电探测器和示波器。可调谐激光器输出激光经单模光纤导引到光纤 环行器，光纤环行器的输出口2将激光传输到半导体晶体表面，光纤环行器的输出口 3通过长距离单模光纤与高带宽光电探测器输入口相连，高带宽光电探测器输出口接 示波器。本发明使用300微米厚的半导体晶片做探测介质，提高了MeV核辐射脉冲的 沉积效率，并使装置输出有效信号，解决了背景技术装置进行MeV核辐射脉冲探测时 效率低的技术问题。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是背景技术等倾干涉光程差形成示意图。

图2是本发明利用半导体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置简图。

图3是图2中FC/APC型光纤接头与半导体表面耦合示意图。

图4是图2所示装置在调节工作点时的输出变化曲线。

图5是本征GaAs、N型GaAs和本征InP在射线脉冲作用下折射率变化曲线。

具体实施方式

以下实施例参照图2-5。

将半导体晶片作为法布里-珀罗干涉仪，半导体晶体的前后表面进行抛光处理，对 入射光具有部分透射、部分反射的特性。半导体晶片厚度为300微米，对MeV核辐 射脉冲具有较高的探测效率。单模光纤将激光导引到半导体晶体前表面上。激光在晶 体的前后表面发生多光束干涉，从晶体前表面反射的光具有环状等倾干涉条纹，最中 间的圆形光斑光强度随光斑半径变化最缓慢。单模光纤拾取圆形光斑的一小部分，这 部分光在单模光纤中与入射激光传播方向相反，经过光纤环行器，导引到光电探测器。 核辐射脉冲作用于半导体时，半导体的折射率发生变化，使等倾干涉条纹分布变化， 这样单模光纤拾取的干涉光强也随之改变，光电探测器记录到这种改变，从而实现核 辐射脉冲的探测。

本发明利用半导体折射率变化测量MeV核辐射脉冲时间宽度的装置包括可调谐 激光器、单模光纤、光纤环行器、半导体晶片、高带宽光电探测器和示波器。

可调谐激光器提供照射半导体晶片的激光。可调谐激光器的输出波长大于半导体 禁带宽度对应的波长。带宽0.1MHz。可调谐激光器放置于测量间。

单模光纤将可调谐激光器输出激光导引到光纤环行器。单模光纤长度不小于可调 谐激光器和核辐射脉冲发生源的距离。

光纤环行器完成激光的单向传输。可调谐激光器输出激光经单模光纤进入光纤环 行器的输入口1。光纤环行器的输出口2接单模光纤，将激光传输到半导体晶体表面， 光纤环行器的输出口3接长距离单模光纤，长距离单模光纤另外一端与高带宽光电探 测器输入口相连，高带宽光电探测器输出口接示波器。

连接光纤环行器的输出口2的单模光纤，出射端用FC/APC型光纤接头。出射端 贴近半导体晶片表面。

半导体晶片作为法布里-珀罗干涉仪。半导体晶片厚度300微米，前表面、后表 面均进行抛光处理。从光纤环行器的输出口2出射的激光，在空间中散开，照射在半 导体晶片上。半导体前表面、后表面反射的光发生干涉，干涉光强呈一定的空间分布， 一部分干涉光再次进入光纤环行器的输出口2。

光纤环行器的输出口2将干涉光环行输出到光纤环行器的输出口3，经长距离单 模光纤导引到高带宽光电探测器。高带宽光电探测器放置于测量间。

高带宽光电探测器将激光光强度变化转换为电脉冲，电脉冲由示波器记录。示波 器放置于测量间。

本发明装置通过测试核辐射脉冲作用下半导体晶片的折射率变化，实现核辐射脉 冲时间宽度的测量。具体方法如下：

首先将半导体晶片放置在核辐射脉冲输出路径上，晶片表面与核辐射脉冲行进方 向垂直。根据脉冲射线源输出强度，合理设置半导体距离射线束输出端口的距离。

如图2所示，完成半导体晶片与单模光纤的耦合。单模光纤安装在固定架上，位 于核辐射脉冲出射半导体晶体的一侧。单模光纤与半导体晶片平面垂直，与半导体晶 片表面接近，以使半导体晶片表面的干涉光再次进入单模光纤。

如图3所示，建立起整个测试装置及配套设备。与半导体晶片耦合的单模光纤的 另外一端与光纤环行器相连。光纤环行器尾纤长度1m。光纤环行器的另外两个端口通 过长距离单模光纤，与测量间内高带宽光电探测器和可调谐激光器连接。使高带宽激 光器和可调谐激光器均进入正常工作状态。高带宽光电探测器输出接入示波器。

如图4所示，调节激光器的波长，通过示波器可见光电探测器输出的周期性变化， 证明激光波长变化使干涉光程差发生变化，将干涉仪调整到合适的工作点，如光程差 为π的整数倍的位置。

启动核辐射脉冲射线源，将光电探测器输出、射线源监测脉冲一同输入示波器。 用射线源监测脉冲触发示波器，光电探测器输出信号变化代表了核辐射脉冲对半导体 晶片折射率的改变。

图5是几种典型半导体在～0.1MeV、～1ns脉冲辐射作用下的折射率变化。

如果要研究不同半导体在射线脉冲作用下的折射率变化，更换成待测半导体后按 照上述再次建立起干涉仪并调整工作点到适当位置即可。