Спосіб визначення спектральних складових світла

Реферат: Спосіб визначення спектральних складових світла, за яким використовують фотоелектричний відклик напівпровідника. Як напівпровідник використовують шаруватий кристал, який піддають пружній деформації зсуву. Одночасно опромінюють досліджуваним світлом, одержують часові залежності фотоструму, за якими за контрольованими моментами часу його різкого зростання визначають довжину хвилі світла. UA 108674 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ СПЕКТРАЛЬНИХ СКЛАДОВИХ СВІТЛА UA 108674 U UA 108674 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі контрольно-вимірювальної техніки і може бути використана для аналізу спектрального складу оптичного випромінювання у видимій та інфрачервоній частині спектра. Відомий спосіб визначення спектрального складу світла з використанням явища дисперсії, за яким світло розкладають у спектр за допомогою призм або дифракційних ґраток з неперервною зміною спектрального діапазону і аналізують отримані спектри спектрофотометричним способом [Тарасов К.И. Спектральные приборы. - Л.: Машиностроение, 1968. - 388 с.]. Однак, дисперсні конфігурації є детально розроблені для конкретних спектрофотометрів і мають недолік: - непридатність для одночасного досягнення потрібної роздільної здатності для довжини хвилі і часових інтервалів. Відомий "Способ измерения длины волны лазерного излучения" (Патент RU № 2064667, МПК G01J 9/02, 1992 р.), за яким вимірюють довжину хвилі лазерного випромінювання за сформованою багатопроменевою інтерференційною картиною та аналізують її, при цьому у резонатор лазера встановлюють відбиваючу пластину, на відбивній поверхні якої формують багатопроменеву інтерференційну картину у вигляді системи вузьких рівновіддалених штрихів шляхом повороту зазначеною пластиною лазерного променя. За кутом повороту  і періодом d штрихової інтерференційної картини визначають довжину хвилі лазерного випромінювання. Цей спосіб має низку недоліків: - складність технічної реалізації способу вимірювання, що зумовлене необхідністю встановлення відбиваючої пластинки у резонаторі лазера; - незастосовність способу для вимірювання довжини хвилі випромінювання тих лазерів, в яких зміни у конструкції резонатора неприпустимі. Відомий спосіб визначення довжини хвилі оптичного випромінювання (Apparatus and method for wavelength detection with fiber bragg grating sensors / US 6525308 B1, G01B 11/16 2003), за яким досліджуване випромінювання спрямовується на оптоволоконні сенсори на основі брегівських ґраток, так звані FBG (fiber bragg grating) сенсори. Кожна брегівська ґратка FBG сенсора сполучена з двома детекторами з вузькими діапазонами спектральної чутливості, які перекриваються, внаслідок чого брегівська довжина хвилі відповідної брегівської ґратки лежить між центральними довжинами хвиль детекторів, які відповідають їх максимуму чутливості. У не деформованому стані FBG сенсора, в якому він не розтягнутий і не стиснутий, і знаходиться в умовах фіксованої реперної температури, короткохвильовий або довгохвильовий детектори приймають звичайні опорні енергетичні сигнали. Якщо константу брегівської ґратки зменшують, короткохвильовий або довгохвильовий детектори одержують, відповідно, більше або менше енергії порівняно із реперним значенням енергетичної компоненти. Цей процес стає зворотним, якщо константа ґратки зростає. Отже, маючи відповідне калібрування, зсув довжини хвилі на брегівській ґратці можна визначити за зміною сигналу детектора. Залежно від кількості брегівських ґраток, розташованих в ряд або паралельно в одному або більшій кількості FBG сенсорів, велика кількість таких детекторних пар з вузькими смугами спектральної чутливості може бути скомбінована шляхом припасування до кожної з брегівських ґраток. Однак, цей спосіб має один істотний недолік: - незастосовність способу для вимірювання довжини хвилі монохроматичних джерел світла, зокрема лазерів, з вузькою спектральною смугою випромінювання, порядку 10-20 нанометрів. Найближчим аналогом за технічною суттю є визначення довжини хвилі оптичного випромінювання, за яким використовують фотоелектричний відклик декількох р-n переходів, які реагують на оптичне випромінювання певного спектрального діапазону, що зумовлене енергетичними параметрами конкретних р-n переходів (Apparatus for sensing the wavelength and intensity of light / US 4309604, G01J 1/42 1982). За способом створюють щонайменше два р-n переходи на різній глибині від поверхні напівпровідникової підкладки, р-n перехід, який знаходиться далі від поверхні, реагує на сигнал, пов'язаний з більшою довжиною хвилі, р-n перехід, що знаходиться ближче до поверхні, реагує на оптичне випромінювання з коротшою довжиною хвилі падаючого світла. Ці два вихідних сигнали від р-n переходів логарифмують і порівнюють один з одним. Різниця логарифмічно стиснутих сигналів дає інформацію про довжину хвилі падаючого світла. Спосіб також має низку недоліків: - обмеженість ефективної роботи способу порівняно вузьким спектральним діапазоном, що зумовлено сильною залежністю коефіцієнта поглинання світла від матеріалу напівпровідникової підкладки і довжини хвилі падаючого світлового променя; 1 UA 108674 U 5 10 15 - обмеженість використання способу для вимірювання довжини хвилі монохроматичних джерел випромінювання з вузькою спектральною смугою випромінювання, переважно лазерів. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалити спосіб визначення спектральних складових світла шляхом опромінення пружно деформованих шаруватих напівпровідників, що дасть змогу визначати спектральний склад, розширити діапазон визначення, спростити і прискорити процес. Поставлена задача вирішується тим, що у способі визначення спектральних складових світла використовують фотоелектричний відклик напівпровідника, при цьому як напівпровідник використовують шаруватий кристал, який піддають пружній деформації зсуву, одночасно опромінюють досліджуваним світлом, одержують часові залежності фотоструму, за якими за контрольованими моментами часу його різкого зростання, визначають довжину хвилі світла. Фіг. 1. Схематичне зображення площини xz недеформованого шаруватого кристала, де вісь z - перпендикулярна до площини шарів xy . Фіг. 2. Схематичне зображення площини xz деформованого шаруватого кристала за умови деформації зсуву тільки уздовж осі x , де період d x є кратним зміщенню l : dx  4  l . Фіг. 3. Схематичне зображення площини xz деформованого шаруватого кристала за умови деформації зсуву тільки уздовж осі x , де період d x не є кратним зміщенню l : 2  dx  7  l , отже, dx  3,5  l . 20 25 30 35 40 45 50 Фіг. 4. Блок-схема установки для практичної реалізації способу визначення спектральних складових світла: 1 - датчик, 2 - вимірювальна комірка, 3 - джерело живлення, 4 - осцилограф, 5 - пристрій для створення механічного тиску на датчик, 6 - електромагніт, 7 - генератор сигналів звукової частоти, 8 - досліджуване джерело випромінювання. Фіг. 5. Графіки: 1 - напруги генератора сигналів звукової частоти, 2 - темнового струму у колі датчика. Фіг. 6. Графік струму у колі датчика в режимі його опромінення монохроматичним світлом. Спосіб ґрунтується на змінах структури електронних станів шаруватих кристалів, зумовлених деформацією зсуву шарів. Відносний зсув між сусідніми шарами зумовлює зміни кристалічної структури і призводить до певних змін структури електронних станів, які можуть бути визначені за певними змінами фізичних властивостей цих кристалів. Суть таких змін можна проілюструвати на спрощеній моделі шаруватого кристала. Шаруватий кристал, компоненти періоду ґратки якого у площині шарів xy рівні d x і d y , а у напрямку нормальному до шарів - d 0 , який збігається з товщиною шару (фіг. 1), піддають z деформації зсуву силою, яка є сумою сталої і змінної гармонічної складових. Амплітуда змінної у часі складової є меншою сталої складової, а частота Ώ забезпечує можливість однозначно визначити часово-залежні величини, задіяні у процесі у довільний момент часу t . Час t розглядають у процесі деформації як параметр. Сили, які прикладають до кристала несуттєво змінюють структуру шарів і відстань між ними, але призводять до відносного зсуву між сусідніми шарами на відстань l у заданому напрямку у площині шарів, період ґратки в якому рівний dxy . Деформація кристала такою силою не змінює компонент періоду ґратки d x і d y у площині шару, але призводить до зміни величини dz компоненти періоду нормальної до площини шарів. Відносний зсув між сусідніми шарами, який зумовлений деформаційною силою, призводить до зміни взаємодії між шарами і виникнення деформаційного потенціального поля, яке може впливати на структуру електронних станів. Унаслідок слабкої взаємодії між шарами відносний зсув між ними не може призвести до кардинальних змін потенціалу, які розглядають як потенціальне збурення. Підставою визначення частини потенціалу деформованого кристала як збурення є зміна періоду d 0 недеформованого кристала. Період деформаційного збурення z рівний цілому числу товщин шарів і може змінюватись дискретно на найменшу величину, рівну товщині шару. Величина періоду dz рівна відстані між еквівалентними точками двох шарів, які зміщені один відносно одного на величину періоду dxy у напрямку, в якому реалізується зсув. Число шарів між такими шарами рівне цілому числу, m  dz . 0 dz Величина періоду деформаційного збурення залежить від відносного зсуву між сусідніми шарами і її встановлюють за його величиною. Період dz залежить від співвідношення величин зсуву l і періоду dxy . Отже, dz залежить від числа m зміщених шарів на сумарну відстань, яка, 2 UA 108674 U у разі кратності періоду dxy зміщенню l , дорівнює періоду dxy , dxy  m  l (фіг. 2). Якщо період d xy не є кратним зміщенню l , то кратність m виконується для декількох періодів d xy , N  dxy  m  l , де N - найменше ціле число, при якому m є цілим числом для заданих l і d xy (фіг. 5 3). Кратність періоду dxy (або N dxy ) величині зсуву l є наслідком вимоги збереження структури шарів у процесі деформації, що забезпечує також дискретність змін періодів деформаційного збурення. Найменша величина періоду збурення реалізується при зміщенні між шарами l  d xy 2 , і рівна dz  2  d0 . z Відносний зсув між шарами lc , який зумовлений сталою складовою деформаційної сили, призводить до виникнення збурення потенціалу, яке найбільш суттєво проявляється для малих 10 величин його періоду dz,c  d0  z dxy . Величина цього періоду може змінюватись гармонічною lc складовою сили. Залежність від часу періодів деформаційного збурення реалізується дискретно унаслідок часової залежності величини m  15 l , яка є цілим числом тільки у певні моменти часу t i у які величина N  dxy є кратною зміщенню між сусідніми шарами l  lc  ls  sin ti , де lc зміщення, зумовлене сталою складовою деформації, ls - амплітуда гармонічної складової деформації. Унаслідок часової залежності періоду деформаційного збурення його величина може бути зменшена до d0  z 20 N  d xy dxy lc  ls або збільшена до d0  z dxy lc  ls по відношенню до dz,c . Деформація шаруватого кристала силою, яка є сумою складових, сталої і гармонічної низької частоти, реалізується у вигляді відносного зсуву між сусідніми шарами і призводить до виникнення деформаційного збурення потенціалу, складова періоду якого нормальна до площини шарів, рівна певному числу товщин шару d 0 і може змінюватись у часі. Протягом часу z t 2 , початок відліку якого вибирають за величиною часу виникнення конкретного періоду  dz,c , відносно якого послідовно у задані моменти часу зростає або зменшується на найменшу величину d 0 період деформаційного збурення. Моменти часу t i , які задають величини періодів z d z , визначаються співвідношенням dz,i  d0  z 25 dxy lc  ls  sin ti . Унаслідок цього у просторі оберненої ґратки послідовно у часі зсув між шарами призводить до виникнення системи короткочасових брегівських площин, орієнтація яких збігається з площинами шарів, а енергетичне положення визначається періодом оберненої ґратки q  2  n dz ( n  1 2, 3 ). Величина цього періоду і час його реалізації відповідають періоду dz відповідно , рівності qi  2  lc  ls  sin ti  n . 0 dz 30 35 40 dxy Оцінка впливу деформаційного збурення на електронні стани здійснюється стандартним способом теорії збурень, у якій час t враховують як параметр. Матричний елемент потенціалу збурення, який представляють у вигляді ряду Фур'є, у нульовому наближенні відмінний від нуля за умови рівності k 'z  q  k z , що відповідає закону Брегга, q2  2  q  k z  0 , де k z - компонента хвильового вектора електрона. У результаті дифракції блохівських хвиль електронні енергетичні стани, які задіяні цією дифракцією, зазнають кардинальних змін, серед яких розриви у функціональній залежності Ek  від k z компоненти хвильового вектора електронів. Основним результатом деформації зсуву шарів є створення контрольованих брегівських площин, енергетичне положення яких відповідає станам зони Бріллюена і може передбачувано змінюватись у часі. Унаслідок дифракції блохівських хвиль на цих площинах в околі енергій, що відповідають їх енергетичному положенню, виникають суттєві зміни структури електронних станів. Структурні зміни електронних станів, які зумовлені дифракцією блохівських хвиль, формують нові властивості шаруватих кристалів. Це стосується широкого спектра електронних властивостей деформованих шаруватих кристалів, у тому числі оптичних властивостей з 3 UA 108674 U 5 10 15 20 25 30 області спектра, який відповідає міжзонним оптичним переходам. Якщо кристал піддають деформації зсуву шарів і одночасно опромінюють монохроматичним світлом, яке зумовлює міжзонні оптичні переходи, то у моменти часу проходження дифракційних площин через енергетичні стани, що задіяні у переходах, виникають короткочасові зміни густини станів, які зумовлюють різку зміну коефіцієнта поглинання. Кристал, що знаходиться у стаціонарних умовах із заздалегідь установленою відповідністю частоти світла моментам часу, які відповідають дифракції блохівських хвиль відповідних електронних станів, використовують як активний елемент приладів для встановлення спектрального складу світла. Моменти часу, що відповідають реалізації дифракції на електронних станах, між якими здійснюються оптичні переходи, встановлюють за зміною оптичного поглинання, за часовою залежністю фотоструму та інших ефектів, чутливих до структури електронних станів кристала. У порівнянні з існуючими способами встановлення спектрального складу випромінювання запропонований спосіб має суттєву перевагу, яка зумовлена оперативністю і швидкістю, що дає змогу використовувати його для розпізнавання об'єктів за спектральним складом їх випромінювання. Спосіб може бути проілюстрований прикладом. Використовують установку, блок-схема якої зображена на фіг. 4. Датчик 1, виготовлений із шаруватого кристала, знаходиться у вимірювальній комірці 2. Датчик під'єднаний до джерела живлення 3, за допомогою якого у колі створюють певний темновий струм. Динаміку зміни струму у колі датчика спостерігають на осцилографі 4. Механічний тиск на датчик створюють за допомогою штока 5, який одночасно є осердям електромагніта 6. На електромагніт подають від ГСЗЧ - генератора сигналів звукової частоти 7 синусоїдальну напругу, створюючи тим самим змінну складову тиску на датчик. Для того, щоб домінуючою була деформація зсуву, а не стиску, силу тиску прикладають під певним кутом до поверхні датчика. Оптичне випромінювання від досліджуваного джерела світла 8 падає на датчик через віконце у вимірювальній комірці. Спектральний діапазон джерела світла повинен відповідати спектральному діапазону фоточутливості датчика. Графіки зміни напруги ГСЗЧ і темнового струму у колі датчика показані на фіг. 5. У загальному випадку, з огляду на наявність певної деформації стиску датчика, темновий струм у колі датчика може бути гармонічно промодульований з частотою, рівною частоті сигналу генератора 7. Через наявність механічної ланки у вимірювальній комірці коливання сили струму у колі датчика (фіг. 5, крива 2) і напруги ГСЗЧ (фіг. 5, крива 1) зсунуті за фазою. Однак, коливання сили струму у колі датчика і змінної складової механічного тиску є синфазними. За умови опромінення датчика монохроматичним світлом на осцилограмі струму у колі датчика спостерігають пік різкого зростання струму, який фіксують у кожному періоді коливань (фіг. 6). 35 Момент часу t1 появи піку відповідає певній частоті світла  (або довжині хвилі λ), яке випромінює досліджуване джерело. У разі опромінення датчика світлом від джерел з широкими спектральними смугами випромінювання на осцилограмі струму упродовж періоду коливань спостерігають декілька піків різкого зростання струму, які відповідають певним частотам світла, що наявні у спектрі випромінювання досліджуваного джерела світла. Відповідність моментів 40 часу t1 конкретним частотам світла найпростіше встановити шляхом градуювання у процесі паспортизації конкретного датчика. За способом просто, оперативно і швидко визначають спектральний склад світла без використання диспергуючих елементів, що підтверджує досягнення передбачуваного технічного результату. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 Спосіб визначення спектральних складових світла, за яким використовують фотоелектричний відклик напівпровідника, який відрізняється тим, що як напівпровідник використовують шаруватий кристал, який піддають пружній деформації зсуву, одночасно опромінюють досліджуваним світлом, одержують часові залежності фотоструму, за якими за контрольованими моментами часу його різкого зростання визначають довжину хвилі світла. 4 UA 108674 U 5 UA 108674 U 6 UA 108674 U 7 UA 108674 U Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8