Способ генерации терагерцовых импульсов на основе термоупругого эффекта



Способ генерации терагерцовых импульсов на основе термоупругого эффекта
Способ генерации терагерцовых импульсов на основе термоупругого эффекта
Способ генерации терагерцовых импульсов на основе термоупругого эффекта
Способ генерации терагерцовых импульсов на основе термоупругого эффекта
Способ генерации терагерцовых импульсов на основе термоупругого эффекта
G02F1/00 - Устройства или приспособления для управления интенсивностью, цветом, фазой, поляризацией или направлением света, исходящего от независимого источника, например для переключения, стробирования или модуляции; нелинейная оптика (термометры с использованием изменения цвета или прозрачности G01K 11/12; с использованием изменения параметров флуоресценцией G01K 11/32; световоды G02B 6/00; оптические устройства или приспособления с использованием подвижных или деформируемых элементов для управления светом от независимого источника G02B 26/00; управление светом вообще G05D 25/00; системы визуальной сигнализации G08B 5/00; устройства для индикации меняющейся информации путем выбора или комбинации отдельных элементов G09F 9/00; схемы и устройства управления для приборов

Владельцы патента RU 2664967:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Использование: для генерации терагерцовых импульсов на основе термоупругого эффекта. Сущность изобретения заключается в том, что получают акустические колебания путем воздействия лазерным импульсом на пару металлов, один из которых, подвергаемый воздействию лазерного излучения, представляет собой пленку из металлического сплава, а второй материал является подложкой, служащей для преобразования получаемых ультразвуковых импульсов в электромагнитное излучение, при этом толщину металлической пленки выбирают из условия, что поглощение лазерного излучения полностью происходило в ее приповерхностной зоне, а мощность и длительность лазерного импульса рассчитывают исходя из недопущения испарения облучаемого вещества и образования в нем фазовых переходов. Технический результат: обеспечение возможности стабильной генерации терагерцовых электромагнитных импульсов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к неразрушающим методам исследования твердых материалов и может быть использовано при диагностике структуры различных твердых материалов.

Известен способ возбуждения когерентного электромагнитного излучения в диапазоне частот 1-100 ТГц в кристаллических материалах при воздействии ударной волны или распространяющегося возбуждения в виде солитона. Согласно данному способу терагерцовое электромагнитное излучение генерируется в результате синхронного движения большого чисел атомов при распространении ударной волны через кристалл. Частоты излучения определяются скоростью удара и постоянными решетки кристалла и могут потенциально использоваться для определения атомно-масштабных свойств материала (Статья «Coherent Optical Photons from Shock Waves in Crystals», Evan J. Reed, Marin Soljacic, Richard Gee, and J. D. Joannopoulos, Phys. Rev. Lett. 96, 013904 - Published 11 January 2006.)

Данный способ позволяет создавать мощные импульсы с высокой проникающей способностью и эффективно исследовать практически любые типы твердых материалов. Это техническое решение авторы рассматривают в качестве аналога.

Основными недостатками данного способа являются трудность создания высоких скоростей удара и частичное разрушение поверхностного слоя материала при мощном импульсном воздействии.

Известен также «МЕТОД ГЕНЕРАЦИИ ТГЦ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ И ВОСПРИЯТИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ВОЛН БОЛЬШОЙ АМПЛИТУДЫ В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ» (Патент US 20090173159 А1, Pub. No.: US 2009/0173159 Al, Jul. 9, 2009).

Данный способ включает получение колебания деформации в первом материале, который находится в контакте со вторым пьезоэлектрическим гетерогенным материалом, в котором колебания деформации преобразуются в терагерцовое электромагнитное излучение. При этом получение колебаний деформации в первом материале включает в себя формирование ударной волны, при котором происходит частичное испарение части материала, контактирующего с лазерным излучением. В качестве материала, контактирующего с лазерным излучением, используется алюминий.

Вышеназванный способ позволяет создавать более мощные импульсы с меньшими затратами энергии. Это техническое решение авторы рассматривают в качестве прототипа.

Недостатками указанного технического решения является то, что при образовании ударной волны излучатель претерпевает пластические деформации, что приводит к нарушению его геометрии. Кроме этого, выбор в качестве генераторной среды алюминия приводит к уменьшению частотного диапазона сигналов вследствие его высокой теплопроводности. К тому же в измерительном приборе появляются ударные нагрузки, что ведет к нелинейному искажению сигнала.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в стабильной генерации терагерцовых электромагнитных импульсов на основе линейного термоупругого эффекта при отсутствии фазовых переходов облучаемого вещества и, как следствие, повышении четкости изображения при использовании данных импульсов для диагностики структуры и свойств твердых материалов. Кроме того, технический результат предлагаемого решения состоит в повышении долговечности излучателя за счет отсутствия испарения части облучаемого материала.

Технический результат достигается за счет получения акустических колебаний путем воздействия лазерным импульсом на пару материалов, один из которых, подвергаемый воздействию лазерного излучения, представляет собой пленку из металлического сплава, а второй материал является подложкой, служащей для преобразования получаемых ультразвуковых импульсов в терагерцовое электромагнитное излучение, толщину металлической пленки выбирают таким образом, чтобы поглощение лазерного излучения полностью происходило в ее приповерхностной зоне, а мощность и длительность лазерного импульса рассчитывают, исходя из недопущения испарения облучаемого вещества и образования в нем фазовых переходов.

Кроме того, согласно предлагаемому способу при создании излучателя терагерцового излучения в качестве подложки используют ниобат лития, а в качестве материала, подвергаемого воздействию лазера, используют никель или хром. Причем толщина металлической пленки не превышает 100 нм, а шероховатость поверхности, на которую она наносится, не выше чем λ/30.

Реализация предлагаемого способа показана на Фиг. 1 и Фиг. 2. Излучение 1 от работающего в импульсно-периодическом режиме лазера (на Фиг. 1 и Фиг. 2. не показан) поступает на пленку из металлического сплава 2, покрывающую подложку 3. При воздействии лазерного излучения 1 в пленке 2 происходит расширение нагретой области. Состав пленки, мощность и время воздействия излучения подбираются таким образом, что фазового перехода материала пленки 2 не происходит.

Последующее расширение нагретой области металлической пленки 2 за счет линейного термоупругого эффекта приводит к генерации мощного короткого ультразвукового импульса 4. Данный импульс 4 распространяется в подложку 3, например, из ниобата лития, где за счет пьезоэффекта возникает широкополосный импульс электромагнитной волны 5.

Форма подложки 3 может иметь два варианта, отличающиеся направлением распространения электромагнитного импульса 6. В первом случае (Фиг. 1) сформированный электромагнитный импульс распространяется в том же направлении, что и ультразвуковой импульс 4. Во втором случае (Фиг. 2) электромагнитный импульс 5 отклоняется от направления образования ультразукового импульса 4 на 90°. В обоих случаях граница раздела 7 пленки 2 и подложки 3 имеют одни и те же характеристики, определяемые степенью шероховатости поверхности подложки 3.

Данный тип волн проникает на большую глубину и позволяет исследовать структуры различных типов объектов. В случае, показанном на Фиг. 1, объект исследования 8 помещают между излучателем 9 и приемником 10, представляющим собой специальный терагерцовый спектрометр. В случае, показанном на Фиг. 2, излучатель 9 перемещают по поверхности исследуемого объекта 8.

Глубина проникновения света имеет порядок La-1=10 нм, излучение лазера полностью поглощается на расстоянии 3La=30 нм. Длина диффузии тепла за время лазерного воздействия варьируется от 5 нм для никеля до 20 нм для серебра. Это означает, что за время действия лазерного импульса равномерно прогревается металлическая пленка толщиной не более 20 нм. Пространственная протяженность акустического импульса LA0 τ0 лежит в диапазоне от 8 нм до 15 нм.

Таким образом шероховатость поверхности подложки не должна быть хуже λ/30, где λ - длина волны используемого лазерного излучения, а напыляемая пленка металла не должна превышать 60-100 нм. При энергии в импульсе порядка 100 мкДж и его длительности 1-3 пс с учетом того, что коэффициент отражения от поверхности металла может достигать 90%, поверхностная плотность поглощенной энергии имеет порядок w0=0,5 Дж/м2 при ширине оптического пучка, а=2 мм.

В этом случае реализуется термоупругий режим воздействия, при котором поглощение оптического пучка происходит в приповерхностной зоне материала и отсутствуют фазовые переходы вещества. Исходя из этого толщина подложки будет оптимальной в диапазоне от 1-го до 3-х мм и ее точное значение может быть установлено опытным путем.

Основные параметры металлов, которые могут быть использованы в качестве оптико-акустических генераторов приведены в таблице 1. Где λ - коэффициент теплопроводности, χ=λ/(ρ0СР) - коэффициент диффузии тепла, Tm - температура плавления.

Известно, что амплитуда напряженности электрического поля определяется выражением E0=dp00, где Е0 - пьезомодуль, а e0 - электрическая постоянная. Для ниобата лития d=6⋅10-12Кл ~ /H - а ε0=8,85⋅10-12Кл/м⋅В. Оценочные значения р0, Е0 и приращение температуры ΔТ при поглощении лазерного импульса в металлической пленке приведены в таблице 2.

Из приведенных данных видно, что использование алюминия в качестве генераторной среды неэффективно, поскольку температура его плавления существенно ниже, а коэффициент теплопроводности выше, чем у никеля или хрома. Использование пары никель / ниобат лития или хром / ниобат лития при соблюдении геометрических размеров элементов излучателя и качества поверхности подложки на границе раздела подложки и покрывающей ее металлической пленки позволяет получить электромагнитный импульс в частотном диапазоном от 0,1 ТГц до 2,5 ТГц и напряженностью электрического поля порядка 107 В/м без фазового перехода части металлической пленки и ее испарения.

Таким образом все признаки, характеризующие предлагаемый способ, необходимы и достаточны для его осуществления и достижения заявляемого технического результата.

1. Способ генерации терагерцовых импульсов на основе термоупругого эффекта, включающий получение акустических колебаний путем воздействия лазерным импульсом на пару металлов, один из которых, подвергаемый воздействию лазерного излучения, представляет собой пленку из металлического сплава, а второй материал является подложкой, служащей для преобразования получаемых ультразвуковых импульсов в электромагнитное излучение, отличающийся тем, что толщину металлической пленки выбирают из условия, что поглощение лазерного излучения полностью происходило в ее приповерхностной зоне, а мощность и длительность лазерного импульса рассчитывают исходя из недопущения испарения облучаемого вещества и образования в нем фазовых переходов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при создании пары материалов для подложки используют ниобат лития, а в качестве материала, подвергаемого воздействию лазера, используют никель или хром, который наносится на данную подложку, контактирующую с объектом, в виде металлической пленки, причем шероховатость поверхности, на которую наносится металлическая пленка, не выше чем λ/30, а толщина металлической пленки не превышает 100 нм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к жидкокристаллическим устройствам отображения и процессу затемнения. Жидкокристаллический дисплей содержит нижнюю подложку, снабженную нижним общим электродом, линией сканирования, линией данных, пиксельным электродом и тонкопленочным транзистором.

Изобретение относится к жидкокристаллическим дисплеям. Жидкокристаллический модуль отображения с узкой рамкой содержит модуль фоновой подсветки и жидкокристаллическую панель, расположенные друг напротив друга и приклеенные друг к другу посредством двухстороннего скотча.

Изобретение относится к технологиям изготовления жидкокристаллических дисплеев. Жидкокристаллическое устройство включает подложку массива тонкопленочных транзисторов, ЦФ-подложку и слой жидкого кристалла.

Изобретение относится к подложке матрицы и жидкокристаллическому устройству отображения. Подложка матрицы представляет собой прямоугольную подложку, протяженную вдоль направления оси x и направления оси y, а направление оси x и направление оси y перпендикулярны друг другу.

Изобретение относится к жидкокристаллической панели отображения с отремонтированным горячим пикселем и способу ремонта горячего пикселя. Жидкокристаллическая панель отображения содержит подложку матрицы, которая содержит пиксель после ремонта.

Изобретение относится к устройствам отображения. Устройство имеет лист квантовых точек для изменения цвета с помощью преобразования длины волны синего света, промежуточную раму, имеющую промежуточный опорный участок для поддержки участка переднего края световодной пластины, и дополнительный элемент, соединенный с промежуточным опорным участком и выполненный с возможностью отражения света, излучаемого из источника, для предотвращения выхода света, который излучается из источника света, через промежуток между световодной пластиной и промежуточным опорным участком.

Изобретение относится к области оптического материаловедения и касается материала для визуализации лазерного излучения ближнего ИК-диапазона спектра (1800÷2150 нм) в видимый спектральный диапазон (635÷670 нм).

Изобретение относится к модуляции света методами управления интенсивностью и фазовыми характеристиками светового потока, и может найти применение для лазерных источников света общего назначения, в том числе для разрушения пространственной и временной когерентности, подавления спекла.

Изобретение относится к электрохромным устройствам и контроллерам окон. Контроллер для окрашиваемого окна содержит процессор с инструкциями для активации определения уровня окрашивания окрашиваемого окна, вход для приема выходных сигналов от датчиков и выход для управления уровнем окрашивания в окрашиваемом окне.

Изобретение относится к способу формирования плазмонных импульсов при коллективном распаде возбуждений в ансамбле полупроводниковых квантовых точек. Может быть использовано при разработке прототипа задающего плазмонного генератора тактовых импульсов с характерными размерами меньше длины волны возбуждаемых плазмон-поляритонов с последующим применением в плазмонных схемах обработки информации, в том числе, - при проектировании высокоскоростных терагерцовых плазмонных шин данных.

Изобретение относится к технической области дисплеев. Техническим результатом является снижение потребления электроэнергии. Схема драйвера жидкокристаллических элементов содержит микросхему драйвера сканирования, m линий сканирования, микросхему драйвера данных, n линий данных, m*n жидкокристаллических элементов и переключатель линии данных. Микросхема драйвера сканирования содержит m выводов сканирования, соединенных с линиями сканирования один за другим, каждая из которых соединена с затворами жидкокристаллических элементов в соответствующей строке. Микросхема драйвера данных содержит n выводов данных, соединенных с линиями данных один за другим, каждая из которых соединена со стоками жидкокристаллических элементов в соответствующем столбце. Переключатель линии данных расположен между линией данных и соответствующим выводом данных. В режиме отображения окна считывают положение области окна и обнаруживают линии сканирования, имеющие пересечение с областью окна. Подают напряжение сканирования на линии сканирования, имеющие пересечение с областью окна. Устанавливают переключатели линий данных, не имеющих пересечения с областью окна, в выключенное состояние. Направляют полутоновое напряжение на линии данных, имеющие пересечение с областью окна. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к совмещенным дисплеям, содержащим отражающую, например, электрофоретическую, среду отображения. В устройстве отражательного дисплея с гибкой панелью отображения и электронными схемами драйвера для возбуждения этой гибкой панели отображения, содержащей по меньшей мере первый и второй гибкие блоки отображения, указанные электронные схемы драйвера выполнены с возможностью возбуждения упомянутых гибких блоков отображения, указанные первый и второй гибкие блоки отображения являются смежными и каждый содержит отображающий слой, содержащий среду отображения, и управляющий слой, имеющий заднюю панель и подложку для поддержки этой задней панели. Задняя панель предназначена для управления отображающим слоем, причем электронные схемы драйвера содержат первый блок электронных схем возбуждения для управления задней панелью упомянутого первого блока отображения и второй блок электронных схем возбуждения для управления задней панелью упомянутого второго блока отображения. Первый блок электронных схем возбуждения расположен на первом блоке отображения, а упомянутый второй блок электронных схем возбуждения - на втором блоке отображения. Блок электронных схем возбуждения смонтирован позади упомянутой подложки упомянутого смежного блока отображения, тем самым являясь практически скрытым от пользователя, смотрящего на область изображения. Отображающий слой упомянутого смежного блока отображения находится перед упомянутой подложкой, при этом упомянутый блок электронных схем возбуждения прикреплен к смежному блоку отображения. Технический результат – обеспечение непрерывной области изображения. 12 з.п. ф-лы, 35 ил.

Группа изобретений относится к лазерной технике. Способ генерирования фемтосекундных ультрафиолетовых лазерных импульсов, реализуемый соответствующей системой, включает направление на нелинейный оптический кристалл первого лазерного импульса, имеющего основную длину волны в ближней инфракрасной области электромагнитного спектра, при этом первый лазерный импульс имеет длительность импульса менее 1000 фемтосекунд. В первой части нелинейного оптического кристалла осуществляется преобразование по меньшей мере нескольких фотонов из первого лазерного импульса в длину волны второй гармоники основной длины волны с образованием второго лазерного импульса в нелинейном оптическом кристалле. Во второй части нелинейного оптического кристалла, содержащей периодически поляризованный кристалл оксида лантана-бария-германия, осуществляется преобразование по меньшей мере нескольких фотонов из первого лазерного импульса и второго лазерного импульса в длину волны третьей гармоники основной длины волны с образованием третьего лазерного импульса в нелинейном оптическом кристалле. Затем осуществляется выведение третьего лазерного импульса из нелинейного оптического кристалла, при этом третий лазерный импульс имеет длительность импульса менее 1000 фемтосекунд. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения длины преобразования. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: для генерации терагерцовых импульсов на основе термоупругого эффекта. Сущность изобретения заключается в том, что получают акустические колебания путем воздействия лазерным импульсом на пару металлов, один из которых, подвергаемый воздействию лазерного излучения, представляет собой пленку из металлического сплава, а второй материал является подложкой, служащей для преобразования получаемых ультразвуковых импульсов в электромагнитное излучение, при этом толщину металлической пленки выбирают из условия, что поглощение лазерного излучения полностью происходило в ее приповерхностной зоне, а мощность и длительность лазерного импульса рассчитывают исходя из недопущения испарения облучаемого вещества и образования в нем фазовых переходов. Технический результат: обеспечение возможности стабильной генерации терагерцовых электромагнитных импульсов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Наверх