Способ регистрации электромагнитного излучения в ИК, СВЧ и терагерцовом диапазонах длин волн
METHOD OF REGISTRATION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN IR, MICROWAVE AND TERAHERTZ RANGE OF WAVE-LENGTHS

Изобретение относится к измерительной технике и касается нового способа регистрации электромагнитного излучения в ИК, СВЧ и терагерцовом диапазоне частот (0.3-10 ТГЦ) и может быть использовано в высокочувствительных приемниках электромагнитного излучения в различных диапазонах.
Для регистрации электромагнитного излучения в ИК, СВЧ диапазонах, включая терагерцовый, используются как радиотехнические способы, так и способы, применяемые в оптическом диапазоне.
Известны способы регистрации электромагнитного поля, использующие непрерывные среды, заключающиеся в том, что специальные среды (жидкие кристаллы, люминофоры, биолюминесцентные бактерии и т.д.) изменяют свои оптико-физические свойства (окраска, показатель преломления, коэффициент прохождения и т.д.) при воздействии энергии электромагнитного излучения и регистрации оптических характеристик специальных сред.
В качестве чувствительных элементов могут применяться жидкие кристаллы (Долгов В.М., Лихолетова Л.Г. О применении термооптических эффектов в жидких кристаллах для визуализации электромагнитных полей // Изв. Высших учебных заведений «Радиофизика», т. ХХVII, № 4, 1979, с. 480-487; Giannini F, Maltese P., Sorrentino R. Liquid crystal technique for field detection in microwave integrated circuitry // Alta Frequensa, vol. 46, N 4, pp. 170-178, 1977), получая тепловой рельеф, образованный вследствие поглощения некоторой части энергии соответствующим слоем термоиндикатора.
Для регистрации электромагнитного излучения поля применяют чувствительные элементы на основе из кристаллофосфоров, люминофоров (Бажулин А.П., Ирисова Н.А., Сасоров В.А., Тимофеев Ю.П., Фридман С.А. Радиовизор – прибор для визуального наблюдения и регистрации полей ИК-СВЧ излучения // Вестник АН СССР, 1973, № 12, с. 122-132; Бажулин А.П., Виноградова Е.А., Ирисова Н.А., Митрофанова Н.В., Тимофеев Ю.П., Фридман С.А., Щаенко В.В. Применение температурно чувствительных кристаллофосфоров для регистрации электромагнитного излучения // Известия АН СССР сер. Физическая, т. 35, № 7, 1971, с. 1450). Чувствительность таких приемников излучения определяется температурной чувствительностью люминофоров и условиями поглощения регистрируемого СВЧ излучения и отводом тепла с экрана.
Известен способ регистрации ИК-СВЧ излучения (Патент РФ № 486226) с помощью размещаемого в термостате экрана из люминофора с тепловым тушением, который одновременно облучают постоянным ультрафиолетовым и исследуемым ИК-СВЧ излучением.
Известен способ пространственного распределения плотности потока энергии СВЧ излучения (Патент РФ 1128198), заключающийся в воздействии на пленочный датчик, на котором индуцируют изотерму, снимают изотерму на фотопленку и определяют плотность потока энергии СВЧ излучения в границах изотермы.
Известен способ определения воздействия электромагнитного излучения с помощью биолюминесценции бактерий (патент РФ № 2291196), включающий регистрацию физических параметров данного объекта до и после внешнего воздействия, по сравнению которых судят о степени воздействия, и в качестве физического параметра используют величину светового потока от них, отличающийся тем, что осуществляют воздействие электромагнитным излучением частотой 42 ГГц, а в качестве тест-системы используют бактерии Photobacterium leognathi, штамм 54, которые при увеличении времени экспозиции изменяют характер свечения.
В данных способах чувствительным элементом является специальная среда, помещенная в специальное устройство, обеспечивающее условия функционирования специальной среды. Вместе чувствительный элемент и специальное устройство образуют приемник электромагнитного излучения.
Недостатками способов регистрации электромагнитного излучения, использующих непрерывные среды, являются их низкие чувствительность и быстродействие.
Исходя из способов действия, приемники электромагнитного излучения могут быть разделены на три характерные группы (Кубарев В.В. Детекторы терагерцового излучения // Сб. трудов Первого рабочего совещания «Генерация и применение терагерцового излучения», Новосибирск, 24-25 ноября 2005 г., Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера, 2006 – 35-40 с.). Первая группа – это детекторы теплового типа (термопары, термодатчики и основанные на них калориметры, пироэлектрические детекторы, оптико-акустические детекторы, микроболометры, охлаждаемые и сверхпроводящие болометры).
Способ их действия заключается в передаче тепла от широкополосного поглотителя, возникающего при облучении его электромагнитным излучением, к различным чувствительным элементам. Характерной особенностью этих приемников является широкий диапазон длин волн и, за исключением специальных микроконструкций, низкое или среднее временное разрешение.
Детекторы теплового типа (термопары и полупроводниковые датчики), несмотря на сравнительно низкую чувствительность и временное разрешение, могут работать в широком спектральном диапазоне: от 1 мкм до 1000 мкм и более. Сигнал с этих детекторов пропорционален температуре. Отечественная промышленность выпускала калориметры ИМО-2, ИМО-4С.
Термоэлементы представляют собой термопару с малой теплоемкостью и малой поверхностью, чтобы значительно изменять свою температуру при поглощении падающего излучения. При этом возникает термо э.д.с., которая прямо пропорциональна приращению температуры и, следовательно, поглощенной мощности.
3
3
3
2
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, BaTiO и др.) от температуры. Нагрев кристалла внешним излучением вызывает перетекание зарядов с его внешних металлических электродов через нагрузочное сопротивление. Отечественная промышленность выпускает малогабаритные детекторы МГ-30 и МГ-33 с приемным элементом 1×1 мм. Хотя по паспорту детекторы сертифицированы до длин волн 20 мкм, они обладают хорошей чувствительностью и в субмиллиметровом диапазоне длин волн. За рубежом такие детекторы (но с большей приемной площадкой) выпускаются рядом фирм, например фирмой Molectron Detector Inc.
Чувствительный элемент детектора имеет обычно вид дисков, стержней, пластинок. Плоскости чувствительного элемента металлизируют, получая электроды для снятия заряда. Чувствительный элемент может размещаться на торце волновода или на торце рупорной антенны.
Несколько более высокую чувствительность и лучшую неселективность, чем пироприемники, имеют оптико-акустические детекторы. Оптико-акустический приемник работает на принципе расширения газа при его нагреве [Техника субмиллиметровых волн. Колл. авторов под ред. Р.А. Валитова - М.: Советское радио, 1969, 480 с., с. 123-158]. Электромагнитная энергия поглощается алюминиевой пленкой, тепло которой передается малому объему газа, находящегося в камере с подвижной зеркальной мембраной, которая изгибается при нагреве. Оптический луч, направленный на отражающий излучение слой мембраны, отражается и регистрируется. Изменение освещенности фотоэлемента приводит к появлению сигнала. Недостатком таких детекторов является относительно низкое быстродействие, большая чувствительность к различным перегрузкам, увеличение габаритов детектора. Отечественная промышленность выпускает детекторы типа ОАП-7. Эти же детекторы за рубежом продаются фирмой QMC Instruments Ltd.
Принцип действия болометров основан на изменении сопротивления тонкой металлической нити или тонкой пленки при нагревании поглощенной электромагнитной энергии. Чувствительный элемент болометра может располагаться на торце рупорной антенны или торце волновода.
Резкий скачок в увеличении чувствительности болометров дает его охлаждение до температур жидкого гелия и ниже. Хорошо известным представителем этого класса приборов являются Si-болометры фирмы Infrared Lab., которые за рубежом используются в экспериментах со слабым терагерцовым излучением фемтосекундных лазеров. В сверхпроводящих болометрах используется сильная нелинейность сопротивления сверхпроводника при выходе из сверхпроводящего состояния (Кубарев В.В. Детекторы терагерцового излучения // Сб. трудов Первого рабочего совещания «Генерация и применение терагерцового излучения», Новосибирск, 24-25 ноября 2005 г., Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера, 2006 – 35-40 с.; Техника субмиллиметровых волн. Колл. авторов под ред. Р.А. Валитова - М.: Советское радио, 1969, 480 с.)
Способ действия второй группы приемников электромагнитного излучения основан на эффекте фотопроводимости (Кубарев В.В. Детекторы терагерцового излучения // Сб. трудов Первого рабочего совещания «Генерация и применение терагерцового излучения», Новосибирск, 24-25 ноября 2005 г., Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера, 2006 – 35-40 с.) (фотопроводимость на мелких примесных уровнях, эффекты нагрева свободных электронов в зоне проводимости, резонансная фотопроводимость на переходах между уровнями Ландау полупроводника в магнитном поле). Эта группа характеризуется хорошей чувствительностью и лучшим временным разрешением. Однако ее существенным недостатком является необходимость охлаждения до гелиевых температур.
Детекторы на основе фотопроводимости имеют немного меньшую чувствительность, но гораздо лучшее временное разрешение, чем охлаждаемые болометры. Эти детекторы перекрывают диапазон длин волн от инфракрасного до сантиметрового. Для этого используются эффекты собственной и примесной фотопроводимости, фотопроводимость «горячих» электронов в зоне проводимости. В дальнем инфракрасном и миллиметровом диапазонах хорошо работает n-InSb детектор на «горячих» электронах в зоне проводимости. При наложении магнитного поля этот детектор приобретает узкополосность из-за квантования энергетических уровней (уровни Ландау). Смещать пик чувствительности детектора по длинам волн можно изменением величины магнитного поля.
Чувствительный элемент детектора – кристалл полупроводникового материала InSb, к которому припаиваются выводы и помещается в гелиевый криостат. Падающее излучение через прозрачное окно криостата и световод направляется на чувствительный элемент [Техника субмиллиметровых волн. Колл. авторов под ред. Р.А. Валитова - М.: Советское радио, 1969, 480 с., с. 123-158].
В третью группу можно выделить самые быстродействующие детекторы, основанные на диодах Шотки микронного и субмикронного размера. Эти малогабаритные детекторы работают обычно при комнатной температуре. Основные недостатки этой группы – неустойчивость микродиодов к различным перегрузкам и довольно средняя чувствительность в низкочастотном диапазоне сигнальной частоты из-за фликкер-шумов.
Детекторы на основе диодов Шоттки имеют граничную частоту до ≈5-6 ТГц (Кубарев В.В. Детекторы терагерцового излучения // Сб. трудов Первого рабочего совещания «Генерация и применение терагерцового излучения», Новосибирск, 24-25 ноября 2005 г., Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера, 2006 – 35-40 с.) и среднюю чувствительность в режиме видеодетектора. Детектор этого типа не работоспособен без какой-либо антенны, собирающей заметную долю падающего излучения.
Известен способ регистрации электромагнитного излучения [Патент РФ № 1478918], заключающийся в освещении подзатворной области полевого транзистора с р-n переходом или диодом Шоттки, регистрированным излучением, оценку интенсивности и временных характеристик по току.
Для регистрации СВЧ излучения используются детекторы с точечным контактом [Техника субмиллиметровых волн. Колл. авторов под ред. Р.А. Валитова - М.: Советское радио, 1969, 480 с., с. 123-158], например Д-407. Полупроводниковые диоды с точечным контактом являются весьма чувствительными, простыми и быстродействующими детекторными устройствами. Эти диоды используются в качестве видеодетекторов и смесителей до длин волн примерно 0,3 мм. Чувствительным элементом детектора является контакт между заостренной металлической иглой и поверхностью полупроводника. Малая площадь контакта обеспечивает малую емкость перехода. Чувствительный элемент располагают в отрезке волновода. Одним из недостатков обычных точечных диодов является нестабильность их характеристик и чувствительность к перегрузкам.
Рассмотренные способы регистрации электромагнитного излучения В ИК, СВЧ, включая терагерцовый диапазон длин волн имеют низкую чувствительность, обусловленную неэффективностью преобразования электромагнитной энергии на чувствительный элемент приемника.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран описанный в техническом решении (патент США № 5717208) способ регистрации электромагнитного излучения, заключающийся в том, что регистрируемое излучение фокусируют линзой и направляют на приемник излучения и осуществляют его регистрацию.
Недостатком данного способа является низкая чувствительность приемников излучения, реализующих способ, обусловленная размером области фокусировки излучения на чувствительный элемент приемника излучения, ограниченного дифракционным пределом формирующей системы.
Для повышения быстродействия размеры чувствительного элемента стремятся уменьшить, и на сегодняшний день характерные размеры приемного элемента меньше характерных поперечных размеров волновода, или конца рупорной антенны, или поперечного размера области фокусировки линзы. Поэтому значительная часть энергии падающего электромагнитного излучения на приемник излучения не попадает на чувствительный элемент приемника.
Известно, что диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) электромагнитного поля с помощью оптических систем [Борн М., Вольф Э., Основы оптики // -М.: Наука. – 1970]:
-1
h=2.44 λFD,
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы оптической системы, F - фокусное расстояние оптической системы.
Предельный минимальный размер пятна Эйри стремится к величине λ/2, но для реальных фокусирующих систем эта величина намного больше.
Задачей, решаемой предлагаемым способом, является повышение чувствительности приемника электромагнитного излучения, за счет повышения концентрации электромагнитного излучения на чувствительном элементе приемника, превышающей дифракционный предел.
Технический результат, который может быть получен при выполнении заявленного способа – повышение чувствительности и быстродействия приемников электромагнитного излучения.
,
Поставленная задача решается благодаря тому что в способе регистрации электромагнитного излучения в ИК, СВЧ и терагерцовом диапазонах длин волн, включающем направление электромагнитного излучения на чувствительный элемент приемника излучения, преобразование в тепловую или другой вид энергии, и осуществление его регистрации, новым является то, что перед чувствительным элементом приемника, со стороны падающего на него излучения, размещают диэлектрическое устройство, формируют непосредственно на его выходе локальную область сконцентрированного электромагнитного поля с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4, где λ длина волны падающего излучения, помещают в эту область чувствительный элемент приемника, кроме того, поперечный размер локальной области сконцентрированного электромагнитного излучения выбирают не более поперечного размера чувствительного элемента приемника излучения, кроме того, относительный коэффициент преломления материала диэлектрического устройства выбирают в диапазоне от 1.2 до 1.8, кроме того, характерный размер диэлектрического устройства выбирают не менее λ/2, кроме того, выбирают форму диэлектрического устройства в виде осесимметричного тела, например шара, или усеченного шара, или диска, или цилиндра, или конуса, кроме того, выбирают форму диэлектрического устройства в виде неосесимметричного тела, например куба или пирамиды.
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, и возможна концентрация падающего излучения в область с малыми поперечными размерами, меньшими, чем сечение волновода соответствующего диапазона.
При этом формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии вблизи поверхности мезоразмерных диэлектрических частиц возможно с помощью частиц различной формы, например в форме сферы, куба, пирамиды, при облучении их электромагнитной волной с плоским волновым фронтом и т.д. [V. Pacheco Репа, М. Beruete, I.V. Minin, О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids. Appl. Phys. Lett. 105. 084102 (2014); I.V. Minin, О.V. Minin, Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and no-symmetrical dielectric mesoscal objects: brief review. Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132; I.V. Minin, О.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. Springer, 2016].
В результате проведенных исследований было обнаружено, что диэлектрическое устройство, например, в форме осесимметричного тела, например шара, или усеченного шара, или диска, или цилиндра, или конуса, или куба, или пирамиды, с характерным размером не менее λ/2, λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала, лежащим в диапазоне от 1.2 до 1.8, при ее облучении электромагнитной волной со сферически сходящимся волновым фронтом или волной с плоским 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 и протяженностью не более 10 λ.
При характерных размерах диэлектрического устройства менее λ/2 локальная концентрация электромагнитного поля вблизи поверхности устройства не возникает.
При относительном коэффициенте преломления материала диэлектрического устройства менее 1.2 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка дифракционного предела и может быть обеспечен формирующей системой, например линзой. При относительном коэффициенте преломления материала диэлектрического устройства более 1.8 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри тела диэлектрического устройства и не может быть использовано для облучения чувствительного элемента приемного устройства.
На Фиг. 1 показан пример концентрирования электромагнитной энергии диэлектрическим устройством в виде шара диаметром 4 λ, где λ - длина волны падающего излучения, и относительным коэффициентом преломления материала, равным 1.46.
На Фиг. 2 приведены примеры концентрирования электромагнитной энергии диэлектрическим устройством в виде осесимметричного конуса, в виде призмы, шестигранной призмы, деформированного куба, куба, из материала с относительным показателем преломления, равным 1.6, и характерным размером, равным длине волны освещающего излучения и соответствующих областей концентрации электромагнитной энергии на выходе диэлектрического устройства.
На фиг. 3 приведен пример схемы устройства, реализующего предлагаемый способ.
Обозначения: 1 – источник электромагнитного излучения, 2 – диэлектрическое устройство, 3 – область концентрации электромагнитного поля с субволновыми размерами фокусировки, 4 – чувствительный элемент приемного устройства, 5 – регистрирующее устройство.
Устройство, реализующее способ, работает следующим образом. Источник электромагнитного излучения 1, соответствующего диапазона длин волн, излучает электромагнитное излучение в направлении диэлектрического устройства 2, выполненного, например, в форме шара или конуса, куба или пирамиды, диска или цилиндра, выполненного из материала с относительным коэффициентом преломления, находящимся в диапазоне от 1.2 до 1.8, и характерным размером не менее половины длины волны падающего излучения. Диэлектрическое устройство 2 преобразует и концентрирует падающую электромагнитную волну со сходящимся сферическим волновым фронтом или плоским волновым фронтом в локальную область, формируемую непосредственно у внешней границы диэлектрического устройства 2 по направлению распространения электромагнитного излучения 3, с поперечными размерами порядка λ/3 – λ/4. За счет дополнительной концентрации электромагнитного поля в этой области повышается интенсивность излучения на 5-7 дБ, для диэлектрического устройства с характерным размером 0.5λ - λ. При больших размерах диэлектрического устройства концентрация электромагнитного излучения увеличивается еще сильнее. Чувствительный элемент приемного устройства 4 размещается в области максимальной концентрации излучения 3. Чувствительным элементом 4 осуществляется преобразование падающего электромагнитного излучения, сформированного источником излучения 1, в тепловую или другой вид энергии, и осуществляется его регистрация устройством регистрации 5, например вольтметром.
Использование предлагаемого технического решения позволяет просто создавать системы регистрации электромагнитного излучения в ИК, СВЧ и терагерцовом диапазонах длин волн с высокой чувствительностью, уменьшить размеры чувствительных элементов, а значит, и повысить быстродействие приемников электромагнитного излучения.