ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР МИЛЛИМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к технике измерений, в частности к измерению интенсивности электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн.
Интерес к миллиметровой области длин волн электромагнитного излучения обусловлен бурным развитием источников данного излучения. Миллиметровое излучение привлекательно тем, что обеспечивает возможность достижения более высокого, по сравнению с сантиметровым диапазоном, пространственного разрешения изображения и большей глубиной проникновения излучения в исследуемые объекты, по сравнению с ИК излучением (Минин И.В., Минин О.В. Методы радиовидения в системах борьбы с терроризмом. – Новосибирск: НГТУ, 2003. – 192 с.; Minin O.V., Minin I.V. Diffractional optics of millimetre waves. – Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. – 396 p.; Mittleman, D. M. (2018). Twenty years of terahertz imaging [Invited] // Optics Express, 26(8), 9417. doi:10.1364/oe.26.009417; F. Sizov. THz radiation sensors. Opto-Electron. Rev. 2010. Vol. 18. No. 1. P. 10-36; R. Müller, В. Gutschwager, J. Hollandt, M. Kehrt, C. Monte, R. Müller, A. Steiger. Characterization of a large-area pyroelectric detector from 300 GHz to 30 THz // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. – 2015. – Vol. 36, iss. 7. – P. 654–661. – DOI: 10. 1007/s10762-015-0163-7.).
Миллиметровое излучение свободно проходит через непроводящие среды, такие как различного рода пластики, текстильные ткани, мелкодисперсные среды - туман, пыль, облака. С другой стороны, это излучение активно взаимодействует с проводящими материалами, биологическими и химическими объектами. Такие свойства позволяют создать системы детектирования скрытых объектов и веществ, в том числе опасных, системы дистанционного, не контактного, химического и биологического анализа различных веществ.
Одной из центральных проблем является создание малогабаритных, недорогих и надежных как одиночных, так и матричных детекторов миллиметрового излучения, обладающих высокой чувствительностью и достаточно высоким быстродействием.
3
3
3
Одним из перспективных направлений является использование пироэлектрических детекторов. Пироэлектрические детекторы (Техника субмиллиметровых волн. Колл. авторов под ред. Р.А. Валитова - М.: Советское радио, 1969, 480 с., с. 123-158) основаны на пироэффекте – зависимости спонтанной поляризации некоторых кристаллов (ТГС, LiTaO, LiNiO, BaTiOи др.) от температуры. Нагрев кристалла внешним излучением вызывает перетекание зарядов с его внешних металлических электродов через нагрузочное сопротивление.
Известен пироэлектрический детектор, который представляет собой тонкую пироэлектрическую пленку с двумя контактными электродами (верхним и нижним), расположенными перпендикулярно направлению спонтанной поляризации пироэлектрической пленки (А. Рогальский. Инфракрасные детекторы. Пер. с англ. под ред. А.В. Войцеховского. Новосибирск, Наука 2003, 636 с.). Состав пироэлектрической пленки подбирается таким образом, что она же является и поглотителем ИК излучения. Поэтому верхний электрод, обращенный к измеряемому излучению, изготавливается полупрозрачным к ИК излучению. Толщина пироэлектрической пленки составляет примерно 1-2 микрометра, что обеспечивает низкую теплоемкость пиродетектора и, следовательно, его высокую чувствительность и быстродействие. В отличие от других типов тепловых детекторов (например, болометрических) пиродетектор имеет большую скорость отклика, то есть, способен работать на высоких частотах. В работе (С.В. Poundy, R.L. Byer, D.W. Phillion and D.J. Kuizenga. A 170 psec pyroelectric detector. Optical Communication, p. 374-377, 1974.) был продемонстрирован детектор, имеющий время отклика 170 пс. В монолитном исполнении пироэлектрический детектор сформирован на КМОП структуре, которая содержит системы считывания электрического сигнала и его предварительное усиление (А. Рогальский. Инфракрасные детекторы. Пер. с англ. под ред. А.В. Войцеховского. Новосибирск, Наука 2003, 636 с.).
Недостатком данного детектора является то, что исторически пироэлектрический детектор излучения был оптимизирован на инфракрасную область спектра с длиной волны 3-20 мкм и обладает весьма низкой чувствительностью в миллиметровой области спектра (С.В. Poundy, R.L. Byer, D.W. Phillion and D.J. Kuizenga. A 170 psec pyroelectric detector. Optical Communication, p. 374-377, 1974.).
2
Известен малогабаритный приемник оптического излучения пироэлектрический МГ-33 ([Электронный ресурс] / ОАО НПП «Восток»: http:// www.vostok.nsk.su/files/pdf/MG33.pdf). Приемное устройство МГ-33 представляет собой пироэлектрический приемник теплового излучения с интегральным предусилителем, предназначенный для регистрации и измерения модулированного излучения в диапазоне длин волн от 2 мкм до 20 мкм. Прибор состоит из тонкопленочного пироэлектрического датчика и гибридного предварительного усилителя. Размер приемной площадки 1×1 мм. Входное окно приемника выполнено из германия с просветляющим покрытием, обеспечивающим максимум чувствительности в диапазоне длин волн (8-14) мкм.
Недостатком пироэлектрического приемника является его низкая чувствительность в миллиметровом диапазоне длин волн и высокие потери излучения на отражение от германия, так как германий в диапазоне длин волн от 0,3 мм до 2,5 мм имеет высокий показатель преломления материала N=3,92 - 4 (Minin O.V., Minin I.V. Diffractional optics of millimetre waves. – Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. – 396 p.).
В качестве прототипа выбрано устройство пироэлектрического детектора миллиметрового излучения (патент РФ 2606516, МПК G01R 29/08). Пироэлектрический детектор выполнен на основе пироэлектрической пленки с системой считывания сигнала, на поверхности пироэлектрической пленки размещен ультратонкий резонансный поглотитель, состоящий из диэлектрической пленки, с одной стороны которой, обращенной к падающему излучению, выполнен металлизированный топологический рисунок, образующий частотно избирательную поверхность и обеспечивающий поглощение на заданной длине волны миллиметрового излучения, а с обратной стороны нанесен сплошной слой с металлической проводимостью, который имеет с пироэлектрической пленкой надежный физический контакт, обеспечивающий эффективную передачу тепловой волны от поглотителя к пироэлектрической пленке.
Недостатком пироэлектрического детектора является его низкая чувствительность в миллиметровом диапазоне длин волн излучения.
Задачей полезной модели является создание малогабаритного пироэлектрического детектора, обладающего высокой чувствительностью в миллиметровой области электромагнитного излучения.
Технический результат: реализация возможности детектирования электромагнитного излучения в миллиметровой области с высокой чувствительностью.
Указанная задача решается тем, что в пироэлектрическом детекторе, выполненном на основе пироэлектрической пленки с системой считывания сигнала, на поверхности пироэлектрической пленки размещен ультратонкий резонансный поглотитель, состоящий из диэлектрической пленки, с одной стороны которой, обращенной к падающему излучению, выполнен металлизированный топологический рисунок, образующий частотно избирательную поверхность и обеспечивающий поглощение на заданной длине волны миллиметрового излучения, а с обратной стороны нанесен сплошной слой с металлической проводимостью, который имеет с пироэлектрической пленкой надежный физический контакт, обеспечивающий эффективную передачу тепловой волны от поглотителя к пироэлектрической пленке, новым является то, что непосредственно на поверхности ультратонкого резонансного поглотителя обращенного к падающему излучению расположена мезоразмерная частица с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,9, формирующая на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4.
Известно, что фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических систем заключается в том, что минимальный размер различимого объекта несколько меньше длины волны используемого излучения и принципиально ограничен дифракцией этого излучения (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978). Невозможность сфокусировать свет в свободном пространстве в пятно с размерами меньше некоторого дифракционного предела следует и из соотношения типа соотношения неопределенностей Гейзенберга (Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 56, No. 10, October 2014, 2436-2439).
Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978).
Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A.Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl.Phys.Lett., 89, 221118 (2006)). Поперечный размер фотонной наноструи составляет 1/3 … 1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы. Продольные размеры фотонной струи лежат в диапазоне (1-5) длины волны излучения.
При этом формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии вблизи поверхности мезоразмерных диэлектрических частиц возможно с помощью частиц различной формы, например, в форме сферы, усеченной сферы, куба, пирамиды, конуса, цилиндра, диска и т.д. при облучении их электромагнитной волной с плоским волновым фронтом и т.д. (I.V.Minin and O.V.Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook).
В результате проведенных исследований было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы произвольной формы, например в форме куба или сферы, с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала, лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,9, при ее облучении электромагнитной волной с плоским волновым фронтом, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, при этом эффект формирования локальной области повышенной интенсивности излучения непосредственно на границе частицы сохраняется в широком диапазоне углом падения излучения.
При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее 1,2 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка и более дифракционного предела и не обеспечивает значительного повышения интенсивности электромагнитного поля на ее границе. При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы более 1,9 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы и не может быть использована для повышения чувствительности фотокатода.
.
В результате проведенных исследований, было обнаружено, что при облучении диэлектрических частичек с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала не менее 1,9, происходит формирование внутри частицы области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4. При этом диэлектрические частицы могут иметь различную форму поверхности: куб, шар, усеченный шар, цилиндр, диск, пирамида, усеченная пирамида и т.д. (И.В.Минин, О.В.МининФотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С.4-10; Minin I.V., Minin O.V., Kharitoshin N.A. Localized high field enhancements from hemispherical 3D mesoscale dielectric particles in the reflection mode // 16th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2015; V.Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin, O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. V.105, 084102 (2014)).
Форма мезоразмерной частицы определяется конструктивными особенностями пироэлектронного приемника.
Для мезоразмерной частицы с характерным размером порядка длины волны излучения интенсивность света непосредственно на границе частицы превосходит падающую интенсивность примерно в 7-8 раз, для частицы с характерными размерами порядка двух длин волн - примерно в 20 раз. Для частиц большего размера величина этого отношения увеличивается еще сильнее.
Малые габариты мезоразмерной частицы, фокусирующей электромагнитное излучение, обеспечивают малые габариты приемного устройства.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом.
На фигуре 1 показана структура одиночного детектора миллиметрового излучения, где 1 - диэлектрический слой, 2 - частотно избирательная поверхность, которая представляет собой топологический рисунок, выполненный в слое металла, обеспечивающий резонансное поглощение на заданной длине волны миллиметрового излучения, 3 - слой с металлической проводимостью, 4 - пироэлектрическая пленка (электроды не показаны), 5 - система считывания сигнала с пироэлектрической пленки, 6 - миллиметровое излучение, 7 - выходной сигнал к приемнику, 8 – мезоразмерная частица, 9 – область повышенной интенсивности излучения и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4.
Детектор работает следующим образом. Миллиметровое излучение 6 падает на мезоразмерную частицу 8, расположенную непосредственно на поверхности ультратонкого резонансного поглотителя обращенного к падающему излучению 2. Мезоразмерная частица 8 формирует на своей теневой поверхности область повышенной интенсивности излучения 9 и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4. Интенсивное миллиметровое излучение 9 поглощается резонансным поглотителем (слои 1+2+3), что приводит к более интенсивному нагреву поглотителя и пироэлектрической пленки, на которой размещен поглотитель. Нагрев пироэлектрической пленки формирует пироэлектрический сигнал, который регистрируется системой считывания пироэлектрического детектора. Таким образом, энергия миллиметрового излучения преобразуется в выходной электрический сигнал 7, пропорциональный интенсивности миллиметрового излучения 6.
Изготовление мезоразмерных частиц возможно, например, методами фотолитографии (патент РФ № 2350996), 3D-принтера, механической обработки, прессования, литья под давением и т.д.
Нанесение мезоразмерных частиц на поверхность отдельных дискретных пироэлектрических элементов возможно одним из известных способов, например, (патент РФ № 1816329, 2248066, Брендель В. М, Букин В.В., Гарнов С.В., Багдасаров В.Х., Денисов Н.Н., Гаранин С.Г., Терехин В.А., Трутнев Ю.А. Метод лазерного напыления УФ фотокатодов на основе галогенидов щелочных металлов // Квантовая электроника, 2012, т. 42, № 12, с. 1128-1132).
В качестве материала мезоразмерной частицы в миллиметровом диапазоне длин волн могут быть использованы, например, (Minin O.V., Minin I.V. Diffractional optics of millimetre waves. – Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. – 396 p.): полистирол имеет показатель преломления N=1,59-1,60 в диапазоне длин волн 0,6-30 мм, полиэтилен: N=1,51-1,52 в диапазоне длин волн 0,3-30 мм; фторопласт 4: N=1,43-1,46 в диапазоне длин волн 0,6-30 мм; поли-4-метилпентен: N=1,51 в диапазоне длин волн 0,2-2 мм; парафин: N=1,48-1,51 в диапазоне длин волн 1,3-4,2 мм и т.д.
Достигаемый в такой конструкции пироэлектрического детектора полезный эффект выражается в повышенной чувствительности устройства.