Устройство визуализации инфракрасного и терагерцового излучений
DEVICE FOR VISUALIZATION OF INFRARED AND TERAHETZ RADIATIONS

Изобретение относится к технике радиоизмерений, в частности к измерениям интенсивности электромагнитного излучения, и может быть использовано для экспрессного исследования пространственного распределения энергии излучения на длинах волн 0,2-14,5 мкм и 1190-1690 мкм.
Устройства визуализации служат для анализа импульсного и непрерывного лазерного излучения в терагерцовом (ТГц) и инфракрасном (ИК) диапазонах с целью определения размера, конфигурации и пространственного распределения энергии излучения. Современные радиолокационные и телекоммуникационные системы создаются на основе интегральных схем и модулей диапазона СВЧ, работающих в импульсных режимах генерации, усиления и преобразования мощности. Метрологическое обеспечение их разработки, производства и эксплуатации невозможно без контрольно-измерительной аппаратуры для определения временных и энергетических параметров импульсных сигналов см- и мм-диапазонов. В связи с активным развитием источников терагерцового излучения становится актуальной задача разработки устройств для визуализации терагерцового излучения, обеспечивающих экспрессный контроль источников указанного излучения, способных функционировать в условиях производственной практики. Отсутствие коммерчески доступных устройств, предназначенных для визуализации мощного терагерцового излучения, потребовало разработки новых или адаптации уже существующих методов и техник. Таким образом, возникла потребность в разработке устройства визуализации ИК- и ТГц-излучений.
Основными проблемами при разработке устройств визуализации излучений являются: обеспечение высокого уровня чувствительности и ее равномерности по всему полю визуализации, необходимость запоминания информации, малое время записи и стирания информации, обеспечение постоянства чувствительности при изменении температуры окружающей среды.
2
Известно устройство для визуального наблюдения и регистрации электромагнитного излучения (авторское свидетельство SU №364268), предназначенное для качественного наблюдения и количественных измерений пространственного распределения полей излучения. Приемник работает на принципе температурного тушения люминесценции, соответствующего пространственному распределению интенсивности исследуемого поля ИК - СВЧ волн. Локальный нагрев люминесцентного экрана регистрируемым излучением приводит к значительным изменениям интенсивности свечения экрана, вызванного ультрафиолетовым возбуждением (термографический эффект). Наблюдать изображение распределения плотности энергии излучения, падающей на приемник, можно как визуально, так и при помощи фотографирования с последующим фотометрированием или с применением других методов регистрации видимого излучения. Чувствительность экрана определяется характеристиками люминофора и мощностью излучения. Порог визуальной регистрации прибора составляет около 1 мВт/см. На экране радиовизора можно идентифицировать детали изображения размером порядка десятых долей миллиметра.
Однако описанное выше устройство обладает низкой чувствительностью в ТГц-диапазоне и малой постоянной времени приемника.
Известен также преобразователь терагерцового излучения в диапазоне длин волн λ=30-3000 мкм (патент RU на изобретение №2447574). Преобразователь выполнен в виде ультратонкой (не менее чем в 50 раз меньше длины волны ТГц-излучения) многослойной структуры на основе диэлектрического слоя. Со стороны падения ТГц-излучения на поверхности диэлектрического слоя выполнен металлизированный топологический рисунок, образующий частотно-избирательную поверхность (ЧИП). С обратной стороны диэлектрического слоя нанесен сплошной слой с металлической проводимостью, поверх которого нанесен тонкий слой материала, обладающего высокой излучательной способностью в инфракрасном диапазоне (коэффициент серости, близкий к единице). Вариантом является преобразователь, в котором с обратной стороны диэлектрического слоя резонансного поглотителя терагерцового излучения поверх слоя с металлической проводимостью вместо излучающего слоя наносится второй диэлектрический слой, на котором формируется металлизированный топологический рисунок, образующий вторую ЧИП.
К числу недостатков данного решения следует отнести сложность конструкции и ограниченные возможности применения вследствие высокого уровня шума, что требует применения дополнительных средств фильтрации.
2
2
Исследование характера оптического излучения в диапазоне 0,3÷10,6 мкм с помощью визуализаторов на основе реверсивных пленочных сред Al-VO-Д, обладающих внутренней памятью, основано на контрастном изменении цвета среды при воздействии контролируемого излучения. Среды Al-VO-Д обладают одновременно яркостным и цветовым контрастом, а также достаточно высокой энергетической чувствительностью и высоким пространственным разрешением.
x
x
x
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является визуализатор электромагнитного излучения (Олейник, А.С. Визуализатор на основе материала ФТИРОС / А.С. Олейник, В.Ф. Смоляков, В.М. Степанов, Н.М. Руденко // Электронная промышленность выпуск 5-6. - 1982. - С. 111-113). Устройство состоит из блоков регистрации и питания. Блок регистрации представляет собой металлическую конструкцию, в которой размещена регистрирующая пластина на основе пленочной структуры из окислов ванадия VO, функционирующий на основе фазового перехода металл-полупроводник (ФПМП). Под действием регистрируемого излучения происходит нагрев экрана до температуры ФПМП, при этом, вследствие перераспределения хода спектрального коэффициента отражения слоя VO в видимой области спектра, происходит резкое и обратимое изменение цвета экрана. Регистрируемое излучение вызывает контрастное изменение цвета термохромной пластины экрана. В виду разницы в коэффициентах поглощения пленочной регистрирующей средой VO в соотношении 20/1 в диапазонах длин волн 0,3-3 мкм и 5-10,6 мкм имеет место разница в чувствительности визуализатора. Конструкция блока регистрации позволяет производить быструю замену регистрирующих пластин и предусматривает его крепление на оптической скамье. Блок питания представляет собой электронную схему с элементами управления и сигнализации, обеспечивает термостатирование электронагревателя блока регистрации с целью запоминания оптической информации. Блок питания позволяет производить регулировку чувствительности прибора. Блок регистрации может использоваться самостоятельно без источника питания, но в этом случае запоминание вводимой информации не обеспечивается.
x
Недостатком наиболее близкого аналога является низкая чувствительность прибора в ТГц-диапазоне длин волн из-за малого поглощения излучения слоем VO (не более 4%).
Задача настоящего изобретения заключается в создании простого и надежного устройства, обеспечивающего визуализацию характеристик пространственного распределения излучения ИК- и ТГц-источников в производственных условиях.
x
x
Сущность изобретения характеризуется тем, что в устройстве визуализации инфракрасного и терагерцового излучений, содержащем плоский корпус с расположенной в нем опорной рамкой в виде двух диэлектрических колец и имеющий два окна для регистрации излучения, плоский корпус закреплен на держателе со стойкой, между диэлектрическими кольцами размещен ИК-ТГц конвертер, представляющий собой диэлектрическую подложку с нанесенной двухслойной пленочной структурой Al-VO, которую опоясывает с зазором пленочный нагреватель, на противоположной стороне диэлектрической подложки, под пленочной структурой Al-VO, расположена сетка из Al толщиной не более 100 нм, с квадратными отверстиями, при этом длина стороны сетки прямо пропорциональна длине волны терагерцового излучения, распространяющегося в диэлектрической подложке, на свободной части поверхности которой расположен термодатчик.
Кроме того, заявляется устройство, у которого наряду с вышеописанными признаками геометрические размеры опорной рамки определены соотношением Н/l=0,3-0,1, где Н - толщина опорной рамки, l - максимальное расстояние между сторонами опорной рамки.
Заявляется также устройство, в котором пленочный нагреватель выполнен в виде квадрата на поверхности одного из диэлектрических колец.
Кроме того, заявляется также устройство, в котором пленочный нагреватель выполнен из NiCr.
Техническим результатом является возможность визуализации низкоинтенсивных и более интенсивных источников ИК- и ТГц-излучений в условиях производственной практики.
x
Технический результат базируется на использовании конвертера ИК- и ТГц-излучений, который представляет собой многослойную структуру, состоящую из металлической сетки - слюдяной подложки - металлического зеркала, с расположенной на нем термохромной пленки VO. За счет резонансного поглощения конвертер обеспечивает максимальный нагрев термохромного слоя и обуславливает максимальную чувствительность визуализатора.
Выполнение пленочного нагревателя и термодатчика на внутренних поверхностях диэлектрических колец упрощает конструкцию и увеличивает размер регистрирующей поверхности визуализатора ИК-ТГц конвертера.
Предлагаемое изобретение поясняется с помощью Фиг. 1-7:
на Фиг. 1 представлена схема визуализации ИК- и ТГц-излучений, реализованная в заявляемом устройстве;
на Фиг. 2 (а, б) - конструкция заявляемого устройства визуализации источников ИК- и ТГц-излучений;
на Фиг. 3 (а, б) показан пленочный нагреватель (а) и термодатчик (б), выполненные на внутренней поверхности опорной рамы;
на Фиг. 4 показана конструкция (а, в) и структура (б) ИК-ТГц конвертера, выполненная на слюдяной подложке;
x
на Фиг. 5 приведен спектральный коэффициент пропускания слюдяной подложки (а) и спектр отражения пленочной структуры Al-VO (б);
x
на Фиг. 6 приведена зависимость яркостного контраста среды Al-VO-АК-113Ф (100-115-190) нм от температуры и плотности мощности источника излучения;
x
на Фиг. 7 (а, б) представлена пороговая чувствительность устройства визуализации источников ИК- и ТГц-излучений, со стороны слоя VO-Al (а) и со стороны сетки из алюминия (б) на длинах волн 0,3-1690 мкм.
и позициями 1-13 обозначены:
1 - плоский корпус,
2, 3 - окна,
4 - опорная рамка,
5 - диэлектрическая подложка,
x
6 - термохромный слой VO,
7 - алюминиевое зеркало,
8 - пленочный нагреватель,
9 - сетка,
10 - термодатчик,
11 - держатель,
12 - стойка,
13 - разъем источника питания.
x
Заявляемое устройство содержит плоский корпус 1, закрытый с двух сторон прозрачными для видимого и регистрируемого излучений окнами 2 и 3. Между окнами 2 и 3 размещена опорная рамка 4, состоящая из двух диэлектрических колец с расположенным между ними ИК-ТГц конвертером, который представляет собой диэлектрическую подложку 5, покрытую с одной стороны двухслойной пленочной структурой, состоящей из термохромного слоя VO 6 и алюминиевого зеркала 7, с опоясывающим ее пленочным нагревателем 8. На другой стороне диэлектрической подложки 5 расположен металлический слой в виде сетки 9 из Al, при этом размер стороны ячейки сетки 9 корреллирует с длиной волны регистрируемого излучения, распространяющегося в диэлектрической подложке, и составляет , где λ - длина волны ТГц-излучения, ε - диэлектрическая проницаемость слюды. На свободной части подложки размещен термодатчик 10. Плоский корпус 1 закреплен на держателе 11 со стойкой 12. В держателе 11 размещены элементы индикации и управления, а также разъем источника питания 13.
x
x
Схема визуализации ИК- и ТГц-излучений, реализованная в заявляемом устройстве, представлена на Фиг. 1. ИК-объектив (объектив Кассегрена) формирует в ИК-лучах изображение объекта, являющегося источником ИК-излучения, на лицевую поверхность двумерного конвертера на основе пленки VO. При этом ИК-излучение преобразуется в цветовой рельеф на лицевой поверхности экрана. ТГц-объектив формирует в ТГц-лучах изображение объекта, являющегося источником ТГц-излучения, на обратную сторону двумерного конвертера, покрытую сеточным полотном из Al. Поглощение регистрируемых излучений приводит к нагреву термочувствительного слоя VO, являющегося экраном конвертера, тем самым происходит регистрация по изменению его цвета.
Для регистрации низкоинтенсивного ИК- и ТГц-излучения могут быть использованы соответствующие объективы. Изображение объекта наблюдения с помощью объектива проецируется через окна 2 и 3, расположенные в плоском корпусе 1 устройства, на двумерную поверхность ИК-ТГц конвертера, помещенного в опорную рамку 4. Распределение характера излучения на поверхности ИК-ТГц конвертера регистрируется визуально по изменению его цветовой окраски. Для регистрации ИК- и ТГц-излучений большей мощности указанные объективы не используются. Режим запоминания вводимой информации обеспечивается путем термостатирования устройства, для этого оно подключается к пленочному нагревателю 8.
x
x
Регистрация ближнего ИК-излучения (0.9-1.5 мкм) производится со стороны двухслойной пленочной структуры Al-VO 6-7, при этом обеспечивается не менее 80% поглощения. А регистрация среднего ИК-излучения производится через сетку 9 ИК-ТГц конвертера, при этом на длинах волн 8-14.5 мкм обеспечивается 83% поглощение излучения, а 17% падающего излучения экранируется полосами двумерной сетки (ширина полосы сетки 30 мкм). Регистрация ТГц-излучения происходит со стороны ИК-ТГц конвертера, покрытой сеткой 9 из Al. ИК-ТГц конвертер обеспечивает резонансное поглощение ТГц излучения, при этом поглощается до 60% падающего излучения. Термохромный слой VO 6 в обоих случаях обеспечивает визуализацию регистрируемого излучения за счет изменения цвета.
x
Пленочный нагреватель 8 обеспечивает равномерный нагрев регистрирующей среды до рабочей температуры (середины петли гистерезиса). С учетом ширины петли гистерезиса пленки VO порядка 20°С термостатирование с точностью ±1°С обеспечивает стабильную работу устройства. Перегрев структуры относительно температуры термостатирования на 3°С обеспечивает первую визуальную градацию цветового изображения, характеризующую наличие контролируемого излучения.
Стирание изображения обеспечивается коммутацией источника питания пленочного нагревателя 8 через разъем 13.
Заявляемое устройство может содержать ИК-объектив, например, разработанный в ГОИ им. Вавилова Н.М., в котором изображение образуется путем отражения света от зеркальной поверхности сферической или параболической формы. После отражения на главном зеркале пучок лучей попадает на вспомогательное зеркало, которое направляет его обратно - через отверстие в главном зеркале. Фокальная плоскость в этой системе располагается за оправой главного зеркала. В фокальной плоскости располагается объект наблюдения. Изображение объекта через окно 2 устройства проецируется на поверхность ИК-ТГц конвертера.
x
Воздушные зазоры между окном 2 и термохромной средой, состоящей из двухслойной пленочной структуры Al-VO 6-7 и сетки 9, и пленочным нагревателем 8 и окном 3 одинаковы, их геометрические размеры Н выбираются согласно соотношению , для , где  - диаметр круга занимаемой термохромной средой. В этом случае в воздушных зазорах резко ограничена или практически исключена конвекция и термохромная среда функционирует в условиях воздушного термостата. Указанный режим работы обеспечивает равномерное распределение чувствительности по всей площади ИК-ТГц конвертера устройства. С помощью стойки 12 устройство перед началом работы крепят, например, в рейтере оптической скамьи ОСК-2. Материал для окон 2 и 3, как правило, выбирается в зависимости от длин волн визуализируемого излучения, например кварцевого стекла, силикатного стекла, сильвина и т.д.
Устройство может содержать и ТГц-объектив, который состоит из двух линз. В качестве материалов для изготовления линз используется, например, фторопласт. Для сохранения высокой светосилы объектива необходимо использовать асферические поверхности линз. Использование фторопласта, как материала для линз, позволяет изготовить асферические поверхности линз с помощью стандартных и недорогих технологий обработки на токарных станках с ЧПУ, при этом требования к качеству поверхности гораздо ниже, по сравнению с видимым и ИК-диапазонами. Объект наблюдения располагается в плоскости наблюдения объектива, изображение объекта наблюдения проецируется на поверхности ИК-ТГц конвертера.
x
x
На Фиг. 5а приведен спектр отражения двухслойной пленочной структуры Al-VO на длинах волн 0,2-14,5 мкм. На длинах волн 0,2-1,5 мкм структура Al-VO имеет максимальное поглощение, а в диапазоне 1,5-2,5 мкм наблюдается увеличение коэффициента отражения до 95%, после чего он практически не меняется.
На Фиг. 5б приведен спектр пропускания слюдяной подложки толщиной 40 мкм марки СТ-1 на длинах волн 2,08-14,28 мкм. На длинах волн 5,2-8 мкм имеет место 50% поглощение, а в диапазоне 8,33-14,28 мкм имеет место практически полное поглощение слюдяной подложкой.
x
На Фиг. 6 приведена зависимость яркостного контраста среды Al-VO-Д с толщинами слоев 100 нм, 115 нм и 190 нм соответственно, от температуры и от плотности мощности источника излучения. Следует заметить, что первая, вторая и третья градации яркости изображения связаны с перегревом относительно температуры термостатирования соответственно на 3°С, 6°С и 9°С, при этом изменение коэффициента контраста преобразователя соответственно составляет 0,2; 0,4; 0,6. Цветовой переход пленочной структуры до и после нагрева голубой-синий, который визуально наблюдается как при комнатной, так и при внешнем освещении.
x
На Фиг. 7а представлены экспериментальные данные пороговой чувствительности заявляемого устройства при падении излучения со стороны слоя VO-Al на длинах волн 0,3-3,39 мкм и 5,0-10,6 мкм.
На фиг. 7б представлены расчетные и экспериментальные значения пороговой чувствительности заявляемого устройства при падении излучения со стороны сетки из Al на длинах волн 1140-1690 мкм и 9,0-14,5 мкм. Измерения ИК-излучения, представленные на фиг. 7 (а, б), проводились на рабочем эталоне измерений средней мощности лазерного излучения и энергии импульсного лазерного излучения в диапазоне длин волн 0,3-12 мкм (ГОСТ 8.275-2013).
Пример.
x
2
Экспериментальный образец заявляемого устройства был изготовлен с ИК-ТГц конвертером, выполненным на слюдяной подложке, толщиной 40 мкм. Центральная часть лицевой стороны подложки была покрыта двухслойной пленочной структурой Al-VO диаметром не менее 30,5 мм. При этом площадь термохромного слоя составляет порядка 706 мм, что достаточно для уверенного визуального наблюдения характера распределения регистрируемого излучения. Термохромную среду опоясывал с круговым зазором пленочный нагреватель в форме квадрата, на основе NiCr с электродами со свободной центральной областью в форме круга. Указанная топология пленочных слоев обеспечивает равномерное термостатирование термохромной средой. На противоположной стороне подложки под структурой в форме круга был описан восьмигранник, площадь которого занимает сетка из Al, толщиной порядка 100 нм, с квадратными отверстиями. Ширина полос сетки равна 30 мкм. На части свободной поверхности подложки был размещен пленочный термодатчик.