Неохлаждаемый металлический болометр

Изобретение относится к тепловым фотоприемникам для обнаружения монохроматического излучения дальнего инфракрасного (ИК) диапазона и определения угла прихода этого излучения. Разработка может найти применение в спектрометрических и астрономических приборах, в спецтехнике и в средствах связи. Металлический болометр содержит непрозрачную металлическую пленку на оптической теплоизолирующей подложке, размещенной в вакуумированном контейнере, имеющем прозрачное окно. На поверхность пленки нанесен диэлектрический слой определенной толщины. Обращенная к окну поверхность пленки имеет освещаемый детектируемым излучением гофрированный участок протяженностью, равной длине распространения возбуждаемой в пленке поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ). Период гофра рассчитывается по определенной формуле. Изобретение обеспечивает повышение селективности устройства (по частоте, углу прихода и поляризации излучения) и увеличение длинноволновой границы рабочего диапазона до 100 мкм. 1 ил.

 

Изобретение относится к тепловым фотоприемникам для обнаружения монохроматического излучения дальнего инфракрасного (ИК) диапазона, называемого в последнее время терагерцовым (ТГц) (частота от 0,1 до 10 ТГц), и определения угла прихода этого излучения. Разработка может найти применение в спектрометрических и астрономических приборах, в спецтехнике, в средствах связи посредством ТГц излучения.

Известно, что для обнаружения ТГц излучения используют, главным образом, тепловые приемники (радиационные термопары и болометры) и фотонные приемники (вакуумные фотоэлементы и полупроводниковые фотосопротивления) [1]. При достаточно большой мощности излучения используют пироэлектрические приемники [2] или оптико-акустические элементы Голея [3]. Все эти разновидности приемников являются неселективными или слабо селективными по частоте, углу прихода и поляризации излучения. Кроме того, длинноволновая граница рабочей области известных неохлаждаемых болометров ограничена 50 мкм [4].

Создание лазерных источников (полупроводниковых, на свободных электронах, парах воды и метанола) ТГц излучения, исследования синхротронного и космического излучений, разработка ТГц средств связи и обработки информации, использование ТГц излучения в медицинских томографах [5] обусловило необходимость разработки неохлаждаемых металлических болометров с длинноволновой границей их рабочей области, достигающей нескольких десятых долей миллиметра, и обладающих высокой селективной способностью по частоте, углу падения и поляризации детектируемого излучения.

Известно, что «...при необходимости болометр можно сделать избирательным (по частоте) с помощью внешнего светофильтра или путем введения соответствующих селективных красителей в органическую пленку, наносимую на основной поглощающий слой золотой черни» [4]. Однако такой прием обеспечивает очень невысокую селективность болометра.

Известны селективные фотоприемники, функционирующие на основе барьера Шоттки. В этих фотоприемниках детектируемое монохроматическое излучение возбуждает p-поляризованную поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ), что сопровождается увеличением напряженности поля излучения в полупроводнике и повышением квантовой эффективности приемника [6, 7]. При этом возбуждение ПЭВ происходит только при строго определенном угле падения, что конструктивно обеспечивается созданием гофра на границе раздела «металл-полупроводник». Основной недостаток таких фотоприемников - ограниченность их рабочей области видимым и ближним ИК-диапазонами.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является неохлаждаемый металлический болометр, состоящий из непрозрачной металлической пленки, нанесенной на теплоизолирующую оптическую подложку, размещенную в вакуумированном контейнере, снабженном прозрачным окном [4]. Свободная поверхность пленки покрыта слоем золотой или платиновой черни, обеспечивающей поглощение излучения. Основными недостатками известного устройства являются неселективность (по частоте, углу прихода и поляризации излучения) и наличие длинноволновой границы (50 мкм) рабочего диапазона.

Техническим результатом изобретения является повышение селективности устройства (по частоте, углу прихода и поляризации излучения) и увеличение длинноволновой границы рабочего диапазона до 100 мкм (0,1 мм).

Технический результат достигается тем, что в неохлаждаемом металлическом болометре, содержащем непрозрачную металлическую пленку на оптической теплоизолирующей подложке, размещенной в вакуумированном контейнере, имеющем прозрачное окно, на поверхность пленки нанесен диэлектрический слой толщиной d_o, определяемой по формуле:

где n_l - показатель преломления материала слоя, а λ - длина волны излучения в вакууме, при этом обращенная к окну поверхность пленки имеет освещаемый детектируемым излучением гофрированный участок протяженностью, равной длине распространения возбуждаемой в пленке поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ), причем период Λ гофра рассчитывается по формуле:

где ϕ - угол падения излучения, n_ПЭВ - показатель преломления ПЭВ.

Нагревание чувствительного элемента болометра детектируемым излучением обеспечивается в результате тепловых потерь ПЭВ по мере ее распространения вдоль пленки. На этом эффекте основан известный болометрический метод регистрации возбуждения ПЭВ [8, 9].

Селективность болометра по поляризации детектируемого излучения следует из того факта, что на поверхности чувствительного металлического элемента болометра может существовать электромагнитная волна только р-поляризации, в которой вектор электрического поля имеет ненулевую перпендикулярную поверхности компоненту [10].

Селективность элемента по частоте и углу прихода детектируемого излучения объясняется резонансным характером фотонного возбуждения ПЭВ. Преобразование падающего (детектируемого) излучения в ПЭВ происходит при равенстве тангенциальной компоненты волнового вектора ПЭВ k_x сумме тангенциальных компонент волновых векторов излучения k_o и гофра k_Λ. Это условие может быть записано в следующем виде [11]:

где Λ - период гофра, k_o=2π/λ.

Смещение длинноволновой границы рабочего диапазона вплоть до 0,1 мм достигается вследствие увеличения теплового поглощения энергии поля ПЭВ в металлической пленке при нанесении на ее поверхность диэлектрического слоя толщиной d [12]. Нанесение слоя приводит к перераспределению поля ПЭВ из окружающей среды в пленку, при этом длина распространения ПЭВ в ТГц диапазоне уменьшается на пять порядков и составляет всего десятые доли миллиметра. Соответственно увеличиваются и тепловые потери ПЭВ.

На чертеже приведена схема заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - прозрачное окно; 2 - вакуумированный контейнер; 3 - непрозрачная металлическая пленка; 4 - теплоизолирующая оптическая подложка; 5 - диэлектрический слой толщиной d_o, 6 - окружающая среда (вакуум), 7 - электрические контакты.

Заявляемый болометр работает следующим образом. Детектируемое излучение с ненулевой р-составляющей проникает через окно 1 в контейнер 2, падает на гофрированный участок пленки 3, нанесенной на подложку 4, под углом ϕ, удовлетворяющим равенству (1), и возбуждает ПЭВ на границе раздела «пленка 3 - слой 5». Поле ПЭВ переносится по трем средам: пленке 3, слою 5 и вакууму 6. В результате тепловых потерь ПЭВ в металле пленка нагревается. Повышение температуры пленки приводит к увеличению ее электрического сопротивления, что регистрирует подключенное к контактам 7 измерительное устройство, например мостовая электрическая схема.

С целью уменьшения радиационных потерь поверхность пленки 3 за пределами окна выполнена плоской. Таким образом, вся энергия излучения, преобразованного в ПЭВ на гофрированном участке пленки, трансформируется в тепловую энергию, выделяемую в пленке.

В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность регистрации с его помощью р-поляризованного излучения с длиной волны λ=10 мкм, модулируемого с частотой 1000 Гц. В качестве материала металлической пленки выберем платину, имеющую следующие физические характеристики: плотность γ=21500 кг/м³, температурный коэффициент β=4·10^-3 град^-1, удельную теплоемкость С=136 Дж/(кг·град), удельное сопротивление ρ=10^-7 Ом/м, комплексную диэлектрическую проницаемость ε=-5400+j·33000 (где j - мнимая единица). Длину платинового элемента положим равной 10 мм, ширину - 1 мм, толщину - 0,1 мкм. В качестве подложки элемента выберем нитроклетчатку [4], на поверхности которой сформирован гофр со следующими параметрами: период Λ=77 мкм, амплитуда (расстояние от оптической поверхности подложки до гребня гофра) δ=50 мкм, длина (расстояние вдоль плоскости падения излучения) 1,0 мм и ширина (расстояние перпендикулярно плоскости падения) не менее ширины элемента, т.е. не менее 1 мм. Плотность мощности детектируемого излучения положим равной 10^-2 Вт/мм², а эффективность преобразования излучения в ПЭВ - 50% [15]. Для обеспечения максимального поглощения энергии поля ПЭВ на поверхность платинового элемента нанесен слой германия толщиной d_o=7,0 мкм с показателем преломления n_l=4,0.

В этом случае излучение преобразуется в ПЭВ с максимальной эффективностью (50%) при угле падения ϕ=30°14'. При этом длина распространения ПЭВ L (расстояние, на котором энергия поля ПЭВ уменьшается в е=2,718 раз) составляет всего 1 мм, что соответствует коэффициенту затухания ПЭВ α=1/L, равному 10³ м^-1.

Тогда, согласно работе [9], изменение электрического сопротивления ΔR платинового элемента при падении на него одного импульса излучения продолжительностью Δt=10^-3 c составит величину, равную 0,04 Ом. Такая величина ΔR может быть уверенно зарегистрирована с помощью измерительного моста Уитстона на фоне общего сопротивления чувствительного элемента (при комнатной температуре), равного примерно 10 Ом.

Таким образом, заявляемое устройство: 1) позволяет регистрировать при комнатной температуре ТГц излучение с длинноволновой границей до 110 мкм; 2) обеспечивает селективность приема по поляризации, углу падения и длине волны излучения.

Источники информации

1. Смит Р., Джонс Ф., Чесмер Р. Обнаружение и измерение инфракрасного излучения. // М.: Иностранная литература, 1959. - Гл.3-4. - с.63-171.

2. Лайнс М., Гласе А. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы. // М.: Мир, 1981. - С.622-623.

3. Панкратов Н.А. Неселективный оптико-акустический приемник с оптическим микрофоном. // Оптико-механическая промышленность. - 1960. - №1. - с.37-48.

4. Шоль Ж., Марфан И., Мюнш М., Торель П., Комбет П. Приемники инфракрасного излучения. // М.: Мир, 1969. - с.154-186. (прототип)

5. Siegel P.H. Terahertz technology // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2002. - v.50. - No.3. - p.910-955.

6. Glass A.M., Johnson A.M., Liao P.F.-H. Photodetector // Patent GB 2131229 А (МКИ⁴ H01L 31/02). - 1984.

7. Беляков Л.В., Сресели О.М. Поверхностные электромагнитные волны и фотоприемники. // Физика и техника полупроводников. - 1991. - т.25. - Вып.8. - с.1282-1296.

8. Yuan-Lin X., Hua Li, Yue-Liang Z. et al. Bolometric observation of nonradia-tive decay of surface-plasmons in silver. // Applied Physics (A). - 1989. - v.48. - No.5. - p.497-500.

9. Большаков М.М., Никитин А.К., Тищенко А.А., Самодуров Ю.И. Устройство для определения коэффициента поглощения ПЭВ металлическими пленками. // Автор, св. СССР №1684634 от 15.06.1991 г.

10. Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Распространение ПЭВ по металлическим поверхностям. // Гл.3. (с.70-104) в книге "Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред" под ред. В.М.Аграновича и Д.Л.Миллса. - М.: Наука, 1985. - 525 с.

11. Никитин А.К., Тищенко А.А. Поверхностные электромагнитные волны и их применения. // Зарубежная радиоэлектроника. - 1983. - №3. - с.38-56.

12. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Богомолов Г.Д., Завьялов В.В., Джонг Юнг Ук, Ли Банг Чол, Сеонг Хи Пак, Хек Джин Ча. Поглощение поверхностных плазмонов терагерцового диапазона в структуре "металл-покровный слой-воздух". // Оптика и спектроскопия, 2006, Т.100, №5, с.798-802.

13. Seymour R.J., Krupczak J.J., Stegeman G.I. High efficiency coupling to the overcoated surface plasmon mode in the far infrared. // Applied Physics Letters, 1984, v.44, No.4, p.373-375.

Неохлаждаемый металлический болометр, содержащий непрозрачную металлическую пленку на оптической теплоизолирующей подложке, размещенной в вакуумированном контейнере, имеющем прозрачное окно, отличающийся тем, что на поверхность пленки нанесен диэлектрический слой толщиной d_o, определяемой по формуле

где n_l - показатель преломления материала слоя, а λ - длина волны излучения в вакууме, при этом обращенная к окну поверхность пленки имеет освещаемый детектируемым излучением гофрированный участок протяженностью, равной длине распространения возбуждаемой в пленке поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ), причем период Λ гофра рассчитывается по формуле

где ϕ - угол падения излучения, n_ПЭВ - показатель преломления ПЭВ.