Вузькосмугове джерело інфрачервоного випромінювання із керованою спектральною характеристикою

Реферат: Винахід належить до галузі інфрачервоної техніки та напівпровідникової оптоелектроніки і може бути використаний в фотометрії, газовому аналізі, в системах зв'язку та для виявлення об'єктів, в експериментальній фізиці. Вузькосмугове джерело ІЧ складається з одновимірного магнітофотонного кристала (МФК) із щонайменше одним магнітоактивним шаром, підкладинки, джерела тепла, джерела магнітною поля та корпусу. За допомогою зміни напруженості магнітного поля, направленість якого перпендикулярна площині одномірного МФК, керують довжиною хвилі вузькосмугового джерела ІЧ випромінювання, яке працює в середньому ІЧ діапазоні. Початкова довжина хвилі вузькосмугового джерела ІЧ випромінювання задається геометричними розмірами одномірного МФК, а її інтенсивність робочою температурою цього одномірного МФК. Технічним результатом винаходу є розширення температурного діапазону функціонування вузькосмугового джерела ІЧ випромінювання та спрощення технології його виготовлення при збереженні широкого спектрального діапазону керування. UA 102615 C2 (12) UA 102615 C2 UA 102615 C2 5 10 15 20 25 Винахід належить до інфрачервоної техніки та напівпровідникової оптоелектроніки і може бути використаний в фотометрії, газовому аналізі, в інфрачервоній спектроскопії, в системах зв'язку та для виявлення об'єктів, в експериментальній фізиці. Відоме джерело інфрачервоного (ІЧ) випромінювання, яке складається з розігрітої до певної температури пластини, на одній з поверхонь якої нанесена ґратка [1]. На поверхні цієї пластини на термічно збуджених випадкових диполях генеруються поверхневі хвилі, які дифрагують на ґратці і створюють ІЧ випромінювання, параметри якого залежать від створеної на поверхні пластини ґратки. Недоліком такого джерела є неможливість керування довжиною хвилі вже виготовленого ІЧ джерела. Довжина хвилі випромінювання такого джерела задається параметрами створеної на поверхні пластини ґратки і не може плавно перебудовуватись. Тобто для різних довжин хвиль випромінювання потрібно мати своє джерело. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого є "Спосіб керування параметрами джерела інфрачервоного випромінювання та пристрій для його реалізації" (Деклараційний патент України на винахід № 68887 А, МПК H01L 31/04, 2004) [2]. Даний спосіб керування параметрами джерела інфрачервоного випромінювання та пристрій для його реалізації оснований на застосуванні теплового випромінювання тіла і полягає у використанні напівпровідникового активного випромінюючого шару у вигляді інтерферометра Фабрі-Перо, нагрітого до температури вище температури навколишнього середовища, у поєднанні з дзеркалом, яке розміщено паралельно випромінюючому елементу і утворює для випромінювання, що вийшло з активного елементу, ще один резонатор. Напівпровідниковий випромінюючий шар, що має температуру вище навколишнього середовища і являє собою резонатор Фабрі-Перо, випромінює в спектральному інтервалі за краєм власного поглинання набір вузьких спектральних ліній. Положенням цих ліній можна керувати шляхом зміни умов резонансу випромінювання. Умови резонансу випромінювання в резонаторі досягаються для тих довжин хвиль, для яких на товщині пластини укладається ціле число четвертин довжини хвилі nd0=kλ/4, 30 35 40 45 50 55 (1) де n - коефіцієнт заломлення, d0 - товщина пластини, λ - довжина хвилі випромінювання, k=2, 4, 6…. Випромінювання інших довжин хвиль, четвертина довжини хвилі яких укладається на товщині пластини неціле число раз, не буде виходити з пластини. Результуюче випромінювання, що виходить з випромінюючого елемента через прозору підкладинку з протилежного від дзеркала боку, є сумою всіх інтерференційних процесів в такій системі. Змінюючи відстань між активним елементом і дзеркалом, змінюють умови інтерференції і таким чином керують робочою довжиною випромінювання λр. До недоліків цього способу та пристрою на його основі слід віднести наступне. Випромінюючий елемент необхідно розміщувати на підкладинці, яка є прозорою у всьому робочому діапазоні довжин хвиль і має однаковий або досить близький з активним елементом коефіцієнт теплового розширення. Крім того підкладинка разом з активним елементом жорстко прикріплені своїми боковими гранями до корпусу пристрою. Різниця у теплових коефіцієнтах розширення підкладинки, активного елемента та корпусу, до якого вони прикріплені, приводить зі зміною температури до деформації активного елемента і порушенні умов інтерференції, а значить і до порушення роботоздатності джерела випромінювання. Це накладає обмеження на вибір матеріалу підкладинки та корпусу і обмежує робочий температурний діапазон ІЧ джерела випромінювання. Крім того рухоме дзеркало, що використовується для керування довжиною хвилі випромінювання, необхідно розміщувати строго паралельно активному елементу. Його перекіс, що може виникнути при монтуванні, а також його деформація, що виникає зі зміною температури із-за різних коефіцієнтів теплового розширення дзеркала і корпусу, до якого воно прикріплене, порушує умови резонансу в системі, що унеможливлює керування параметрами джерела ІЧ випромінювання. Задачею винаходу є створення вузькосмугового джерела інфрачервоного випромінювання із плавно керованою спектральною характеристикою в широкому діапазоні довжин хвиль з розширеним робочим температурним діапазоном та більш надійним і технологічним у виготовленні. Поставлена задача досягається тим, що інтерференційним випромінюючим елементом є одномірний магнітофотонний кристал (МФК) з щонайменше одним магнітоактивним шаром (МАШ), при цьому одномірний МФК має зазор з корпусом вузькосмугового джерела інфрачервоного випромінювання та розміщений в джерелі магнітного поля таким чином, щоб 1 UA 102615 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 лінії магнітного поля проходили перпендикулярно до випромінюючої поверхні одномірного МФК, а його протилежна поверхня з'єднана з підкладинкою, яка виконана з можливістю передачі тепла від джерела тепла до одномірного МФК, і який виконано з можливістю підтримання температури, відмінної від температури фону, але нижче точки Кюрі магнітоактивного шару одномірного МФК, при цьому джерело тепла з'єднано з корпусом через термоізолятор. Як випромінювальний елемент вузькосмугового джерела ІЧ випромінювання застосовують одновимірний МФК із щонайменше одним магнітоактивним шаром. В робочому стані одновимірний МФК розігрітий до температури вище температури навколишнього середовища, і розміщений в магнітному полі Н, направленість якою є перпендикулярною до поверхні одномірного МФК, з якої виходить ІЧ випромінювання, а керування параметрами вихідного ІЧ випромінювання здійснюють за допомогою зміни напруженості магнітного поля Н. За рахунок того, що одномірний МФК та підкладинка, на якій він розміщений, не мають безпосереднього контакту з корпусом джерела ІЧ випромінювання, при зміні робочої температури корпус джерела ІЧ випромінювання, який залишається при сталій температурі, не обмежує температурного розширення чи звуження одномірного МФК та підкладинки і не приводить до деформації випромінювального елемента, як це відбувається у прототипі. Деформація випромінювального елемента порушує умови резонансу в системі, а отже і роботоздатність приладу. Таким чином у нашому випадку в порівнянні з прототипом умови резонансу в системі зберігаються при більш високих робочих температурах, що є необхідним для роботи джерела ІЧ випромінювання, і дозволяє розширити його робочий температурний діапазон. Робота при більш високій температурі дозволяє отримати при необхідності і більш високу інтенсивність випромінювання, яка залежить від температури одномірного МФК. Завдяки тому, що при роботі запропонованого вузькосмугового джерела ІЧ випромінювання, корисне випромінювання не повинно обов'язково проходити через підкладинку, як це є у прототипі, підкладинка може бути виконана, як з прозорого, так і з непрозорого матеріалу в робочому спектральному діапазоні вузькосмугового джерела ІЧ випромінювання. Таким чином вибір матеріалу для підкладинки у порівнянні з прототипом буде більш широким. Завдяки використанню як випромінюючого елемента одномірного МФК, відпадає необхідність у використанні для керування спектральною характеристикою ІЧ джерела наявного в прототипі рухомого дзеркала, яке необхідно з великою точністю на відповідній відстані розмістити паралельно до напівпровідникового резонатора Фабрі-Перо, котрий у прототипі слугує випромінювальним елементом. Таким чином спрощується технологія виготовлення джерела ІЧ випромінювання та ліквідується можливість теплового перекосу дзеркала, що підвищує його надійність. Як відомо, одномірні МФК складаються з щонайменше одного МАШ, який розміщений між двома багатошаровими паралельними періодичними структурами. Ці структури складаються з шарів з різними оптичними параметрами таким чином, що коефіцієнт заломлення кожної структури періодично змінюється в одному просторовому напрямку, перпендикулярно шарам, а товщина цих шарів близька до довжини хвилі електромагнітного випромінювання [3]. Завдяки тому, що температура одномірного МФК відмінна від температури навколишнього середовища, а саме вище нього, але нижче температури Кюрі МАШ одномірного МФК, теплове випромінювання одномірного МФК більше за теплове випромінювання навколишнього середовища (фону). Саме цю різницю теплових випромінювань використовують для керованого джерела ІЧ випромінювання. Це випромінювання підкоряється фундаментальним фізичним законам. Його параметри залежать від температури, геометричних та оптичних характеристик випромінювального елемента, а також магнітного поля, у якому знаходиться активний елемент. Так само, як і в прототипі, завдяки інтерференції теплового випромінювання, яка у нашому випадку відбувається в одномірному МФК, спектр вихідного випромінювання має вигляд максимумів та мінімумів, частота яких відповідає умовам резонансу в одномірному МФК. На Фіг. 1 схематично зображено конструкцію одномірного МФК - випромінювального елемента. Він складається із напівпрозорого МАШ, розміщеного між двома структурами прозорих шарів, що мають товщину dj, дійсний коефіцієнт заломлення nj та кількість шарів Nf на вихідній для випромінювання поверхні та Nb на задній. При H=0 МАШ характеризується ізотропним комплексним коефіцієнтом заломлення ñ=n0-i·χ0 (тут n0 та χ дійсна та уявна частини комплексного коефіцієнта заломлення відповідно, i - уявна одиниця), товщиною d0 і постійною Верде V. Зовнішнє магнітне поле Н є перпендикулярним до вихідної поверхні одномірного МФК і показано довгою жирною стрілкою. Вихідне теплове інфрачервоне випромінювання одномірного МФК позначено стрілками із літерою Р. 2 UA 102615 C2 Для теоретичного розгляду застосуємо матричний метод. Згідно до законів Кірхгофа, інтенсивність теплового випромінювання з довжиною хвилі λ, що випромінює одномірний МФК під кутом, близьким до нормалі, θ в тілесному куті dΩ є: P=A·W(λ,T)dΩcos(θ). (2) 5 Тут W(λ, T) - функція Планка, Т - температура, А - випромінювальна здатність одномірного МФК. 2  2 A  1    uij  wij  ,  i,j  10 (3) -1 -1 де η=exp(-α0d0/cos(θ)), α0=4πχ0/λ, uij, wij - елементи матриць (І-FRfFRb) T і (I-FRfFRb) FRbT відповідно, І - одинична матриця. r s  r s  0  0   , Rb   b Rf   f    0  rfp    0  rbp       (4) матриці відбивання відповідно передньої (вихідної) та задньої структур, 15 t s  0   T f  0 t p   f   (5) матриця проходження передньої структури,  cos sin  F   sin cos 20 (6) матриця проходження магнітооптичного шару, k z  2   ~0  sin2  , n2 φ=Vd0H - кут Фарадея при одноразовому проходженні, m   m g g   m   m g   , m   m g  g   m   m g   m   m g g   m   m g   , r   m   m g  g   m   m g   rfv   v b t v   f 25 v 11 v 11 v 11 v 11 v 12 v 12 v 12 v 12 v 0 v 0 v 0 v 0 v 21 v 21 v 21 v 21 v v v b v b v v 22 v v 22 v v 22 0 v v 22 0  2 gv g0v  m   m g  g   m   m g   v 11 v v 12 0 v v 21 v 22 v (7) (8) (9) , (v) Nf Nb j1 m j1 елементи матриці Mv    Mv  для передньої структури, та матриці Mv    Mv  для j j задньої структури.  cos  j v    Mj   v   ig j sin  j        sin  j   gv   , j  cos  j   i   (10) 3 UA 102615 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 gs  n j cos  j , j   gp  cos  j n j , j   2 2  f  rf та b  rb , що покривають плоскопаралельний МАШ. Зовнішнє магнітне поле Н на Фіг. 3 показано довгою жирною стрілкою, вихідне теплове інфрачервоне випромінювання позначено стрілками із літерою Р, а уявні дзеркала із нульовою товщиною ρf та рb. Теплове випромінювання (ТВ), що генерується теплом в об'ємі МАШ, розповсюджується по МАШ, багаторазово відбивається від дзеркал та виходить назовні через вихідне дзеркало великою кількістю когерентних між собою променів. Його хід на Фіг. 3 показано тонкими стрілками. ТВ є неполяризованим і вміщує в собі хвилі з усіма напрямками поляризації. Когерентність кожної із цих хвиль обумовлює когерентність променів, що вийшли. Оскільки вони когерентні, вони інтерферують між собою. Таким чином, спектр теплового випромінювання одномірного МФК має вузькосмуговий та вузьконаправлений вигляд. Умова для ліній ТВ одномірного МФК, тобто інтерференційних максимумів, при спостереженні в області нормального падіння є: max  45     відповідає  j  arcsin sinn n j . gbv (v) підкладинці з коефіцієнтом заломлення nb, g відповідає повітрю. Індекс v=s, p визначає компоненту випромінювання з s чи р поляризацією. Конструкція діючої моделі керованого джерела ІЧ випромінювання зображена на Фіг. 2. Тут 10 - корпус, 20 - термоізолятор, 30 - нагрівний елемент, 40 - підкладинка, 50 - котушка електромагніта, 60 - одномірний МФК, у якому можна виділити три складові частини: 60-1 задня структура, 60-2 - магнітооптичний шар (МАШ), 60-3 - вихідна структура. Для більшої наочності товщина одномірного МФК зображена непропорційно великою. Стрілками із літерою Р позначено вихідне інфрачервоне випромінювання, а жирною стрілкою з літерою Н - напрямок магнітного поля, що створюється котушкою електромагніту 50. Слід відзначити, що зміна напрямку магнітного поля на протилежний не впливає на роботу джерела ІЧ випромінювання. Головне щоб лінії магнітного поля були перпендикулярними до вихідної поверхні одномірного МФК. Вузькосмугове джерело інфрачервоного випромінювання із керованою спектральною характеристикою працює таким чином. Нагрівний елемент 30 розігріває підкладинку 40 разом з одномірним МФК 60 до вибраної робочої температури, яка повинна бути нижчою за температуру Кюрі МАШ, щоб він не втратив свої магнітооптичні властивості. Завдяки різниці температур між випромінюючим елементом та навколишнім середовищем теплове випромінювання випромінюючого елементу більше за теплове випромінювання навколишнього середовища, тобто теплова енергія нагрівного елемента перетворюється на надлишкове випромінювання випромінюючого елементу. Термоізолятор 20 запобігає розігріву корпусу джерела 10, адже у розігрітому стані корпус також буде тепловим випромінювачем, причому некерованим, і заважатиме корисному ІЧ сигналу. Для кращого розуміння функціонування керованого джерела ІЧ випромінювання, одномірний МФК, що має багато шарів, можна спрощено представити як плоскопаралельну тришарову структуру, як це показано на Фіг. 3. Передню та задню структури можна математично описати як уявні дзеркала із нульовою товщиною та коефіцієнтами відбивання відповідно δj=2πnjdjcos(θj)/λ, n0d0 , 2k  m 2 (11) де k=0, 1, 2…, δm=(δf+δb)/2, δf, b=arctg(Im(rf, b)/Re(rf, b)) - стрибки фаз на дзеркалах. При прикладанні до одномірного МФК магнітного поля площини поляризацій хвиль ТВ обертаються на кут Фарадея. Це змінює умови інтерференції і спектр випромінювання одномірного МФК змінюється. Базуючись на спрощеній моделі одномірного МФК, його спектр можна описати простою аналітичною формулою: + Р(λ)=Р (λ)+Р (λ), (12) 50 де 4 UA 102615 C2 P    1 f 1 b 1  W , T d , 2   2 1   f b  4  f b sin2      1 f 1 b 1  P    W , T d , 2   2 2 1   f b  4  f b sin      Δ=2πn0/λ+δm.   5 10 15 20 25 30 35 40 45 50  (13)  (14) (15) Отже теплове випромінювання одномірного МФК в магнітному полі розділяється на дві складові. При відсутності магнітного поля (φ≠0) їх максимуми (лінії) співпадають. В магнітному + полі (φ≠0) лінії теплового випромінювання Р та Р не співпадають і із збільшенням Н зміщуються в сторону із більшою та меншою довжиною хвилі відповідно. Таким чином, робочим діапазоном перебудови спектру випромінювання джерела, що заявляється, є діапазон зміни + положення лінії випромінювання Р або Р . Інтенсивністю випромінювання ІЧ джерела можна керувати вибором його робочої температури, яка повинна бути нижчою за точку Кюрі МАШ, щоб він не втратив свої магнітооптичні властивості. В першу чергу використання вузькосмугового джерела інфрачервоного випромінювання із керованою спектральною характеристикою розраховано на середню ІЧ область, для якої розроблено не так багато випромінюючих джерел. Крім того запропоноване вузькосмугове джерело інфрачервоного випромінювання із керованою спектральною характеристикою має вузькосмугову спектральну характеристику та можливість її динамічної перебудови в широкому діапазоні довжин хвиль. Це дозволяє виключити використання оптичних дисперсійних елементів, таких як оптичні фільтри, призми, дифракційні ґратки та інші, а також блоки керування цими дисперсійними елементами при застосуванні в оптичних приладах такого ІЧ джерела. Це спрощує конструкцію оптичних приладів, підвищує їх надійність, зменшує розміри, вагу та дозволяє використовувати такі прилади як переносні. Приклад реалізації. Багатошаровий випромінювальний елемент - МФК виготовлявся шляхом вакуумного напилення шарів оптичного германію (Ge) та броміду калію (KВr), а також шару напівпровідника 18 -3 n-InSb із концентрацією електронів Nq=10 см в якості магнітоактивного шару Фіг. 4. Шари наносились на підкладинку із лейкосапфіру в такій послідовності: спочатку чотири пари шарів Ge та KВr, шар n-InSb, дві пари шарів KВr та Ge, які сформували вихідну для інфрачервоного випромінювання поверхню. Товщина Ge шарів була 0,563 мкм, KВr шарів - 1,476 мкм та n-InSb шару - 5 мкм. На задню сторону підкладинки був наклеєний плоский електричний нагрівний елемент, який підключався до джерела постійного струму та забезпечував температуру одномірного МФК на рівні 400°К і був відділений від корпусу слюдяним термоізолятором. Мінімальний зазор між одномірним МФК на підкладинці та корпусом складав 2 мм. Одномірний МФК розміщувався між полюсами електромагніту таким чином, що напрямок магнітного поля Н (на Фіг. 4 показано довгою жирною стрілкою) був перпендикулярний до вихідної поверхні одномірного МФК. Напрямок випромінювання на Фіг. 4 показано короткими стрілками із літерою Р. Термоізолятор та корпус на Фіг. 4 не показані. Спектр теплового інфрачервоного випромінювання реєструвався інфрачервоним фур'є-1 спектрометром Infralum FT-801 із роздільною здатністю 1 см . На Фіг. 5 показано спектри випромінювання джерела при різних значеннях магнітного поля H: A-H=0,5 Тл; В-H=1,3 Тл; С-H=2,1 Тл; D-H=2,7 Тл. Як видно, випромінювання має вузьколінійний характер із шириною лінії на половині її висоти ≈0,045 мкм. Положення максиму випромінювання залежить від магнітного поля і посувається в сторону меншої довжини хвилі із збільшенням H. Спектральний діапазон плавної перебудови для приведеного джерела є 11,0711,72 мкм. Це є цілком достатньо для реалізації, наприклад, спектрального аналізу лінії поглинання газу в оптичному газоаналізаторі. Новизна винаходу полягає у новій сукупності запропонованих ознак, які раніше не були відомі. Корисність винаходу полягає у тому, що джерело інфрачервоного випромінювання, що заявляється, має вузькосмугову спектральну характеристику та можливість її динамічної перебудови в широкому діапазоні довжин хвиль. Винахід дозволяє виключити оптичні дисперсійні елементи (оптичні фільтри, призми, дифракційні ґратки) та блоки їх керування при 5 UA 102615 C2 5 10 15 20 25 застосуванні такого джерела в оптичних приладах, що спрощує їх конструкцію, підвищує їх надійність, зменшує розміри, вагу та дозволяє використовувати прилади як переносні. Джерело інфрачервоного випромінювання, що заявляється, може знайти застосування в приладах спектрального аналізу речовини, в інфрачервоній спектроскопії, в оптичних газоаналізаторах та інше. Джерела інформації: [1] F. Marquier, К. Joulain, J.-P. Mulet, R. Carminati, and J.-J. Greffet, Y. Chen. Coherent spontaneous emission of light by thermal sources. // PHYSICAL REVIEW B, 2004, V. 69, p. 155412. [2] Деклараційний патент України на винахід № 68887 А, Спосіб керування параметрами інфрачервоного джерела випромінювання та пристрій для його реалізації, МПК (2006.01) H01L 31/04, дата публікації 16.08.2004. [3] М Inoue, К Arai, T Fujii. One-dimensional magnetophotonic crystals. // Journal of Applied Physics, 1999, V. 85, N. 8, pp. 5768-5770. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Вузькосмугове джерело інфрачервоного випромінювання із керованою спектральною характеристикою, яке має корпус і містить в собі напівпрозорий у всьому робочому спектральному діапазоні інтерференційний випромінюючий елемент з підкладинкою і джерелом тепла, яке відрізняється тим, що інтерференційним випромінюючим елементом є одномірний магнітофотонний кристал (МФК) з щонайменше одним магнітоактивним шаром, при цьому одномірний МФК має зазор з корпусом вузькосмугового джерела інфрачервоного випромінювання та розміщений в джерелі магнітного поля таким чином, щоб лінії магнітного поля проходили перпендикулярно до випромінюючої поверхні одномірного МФК, а його протилежна поверхня з'єднана з підкладинкою, яка виконана з можливістю передачі тепла від джерела тепла, яке з'єднано з корпусом через термоізолятор, до одномірного МФК, і який виконано з можливістю підтримання температури, відмінної від температури фону, але нижче точки Кюрі магнітоактивного шару одномірного МФК. 6 UA 102615 C2 7 UA 102615 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8