УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
DEVICE FOR DETECTING ELECTROMAGNETIC RADIATION

Изобретение относится к оптике и радиофизике и предназначено для регистрации электромагнитного излучения видимого и инфракрасного диапазонов.
Известны устройства для регистрации электромагнитного излучения (см. /1/ стр 644-652) в виде фотоэлементов, основанных на использовании электровакуумных приборов и так называемого внешнего фотоэффекта. При попадании на фотокатод, состоящий из тонкого слоя щелочного металла, электромагнитного излучения, энергия квантов которого превышает работу выхода соответствующего щелочного элемента, в электрической цепи под действием анодного напряжения возникает электрический ток, регистрируемый амперметром. Величина возникающего фототока может быть увеличена в фотоумножителе, в котором присутствует несколько динодов, из которых происходит электронная эмиссия под действием исходного пучка электронов, вылетающих из фотокатода, и ускоряющего анодного напряжения. Недостатком вакуумных фотоэлементов и фотоумножителей является их низкая чувствительность при регистрации электромагнитного излучения инфракрасного диапазона, а также необходимость использования вакуумной технологии при изготовлении, требующая большого времени и громоздкой технологии (вакуумных насосов, переходов металл-стекло и т.д.).
Прототипом предлагаемого устройства может служить устройство, приведенное на Фиг.1. Здесь в электрическую цепь с источником питания 7 с помощью электродов 5 включен фоторезистор. 3. В фоторезисторе в результате внутреннего фотоэффекта под действием электромагнитного излучения 8, проникающего сквозь защитное покрытие 2, возникает фотоэлектрический ток, измеряемый амперметром 6. Электрический ток в фоторезисторе осуществляется свободными носителями (электронами и дырками) при поглощении квантов света, энергия которых превышает ширину запрещенной зоны полупроводника, (см 121, стр.183-186). В типовых фоторезисторах в качестве фоточувствительных элементов 3 используются полупроводники: сульфид кадмия, селенид кадмия (для видимого диапазона); сульфид свинца и другие узкозонные полупроводники (для инфракрасной области спектра). Фоточувствительный полупроводник помещается на изолирующую подложку 1 (см. Фиг.1). При этом в тонкой приповерхностной области полупроводника под действием падающего на него электромагнитного излучения возникают электроны и дырки, обеспечивающие возникновение фототока под действием напряжения, присутствующего в электрической цепи (см. Фиг.1).
Недостатком такого устройства является невысокая чувствительность вследствие того, что толщина приповерхностного слоя фоторезистора, в котором осуществляется внутренний фотоэффект, очень мала (меньше длины волны регистрируемого электромагнитного излучения).
Задачей, решаемой данным изобретением, является повышение чувствительности устройства для регистрации электромагнитного излучения. Для решения поставленной задачи вместо однородного полупроводникового фоторезистора предлагается использовать гетерогенную среду с большой поверхностью фоточувствительного материала. Задача решается на основе использования в регистрирующем устройстве (см. Фиг.2) трехмерного фотонного кристалла [3, 4], состоящего из плотно упакованных диэлектрических шариков, состоящих, например, из диоксида кремния или диоксида титана, прозрачных для регистрируемого электромагнитного излучения. В порах между диэлектрическими шариками размещаются ультрадисперсные микрочастицы фоточувствительного полупроводника, что обеспечивает существенное увеличение рабочей поверхности, вблизи которой осуществляется внутренний фотоэффект под влиянием внешнего электромагнитного излучения. В качестве трехмерного фотонного кристалла или фотонного стекла предлагается использовать опаловые матрицы, размер шариков которых сравним с длиной волны видимого излучения или существенно превышает длину волны регистрируемого излучения.
Принцип действия предлагаемого устройства иллюстрируется Фиг.2-5. Фоторезистор 5 (см. Фиг.2, 3) включается в электрическую цепь, содержащую источник напряжения 10 и амперметр 9, измеряющий ток, возникающий в фоторезисторе под действием падающего на него излучения. На фиг.3 приведена схема фотоприемника с фоточувствительным слоем, используемая в схеме, приведенной на Фиг.2. На дне фотоприемника находится диэлектрическая подложка 1, соединяемая с пластинами 2 и 7 крепежными винтами 4, зажимающими электроды 2. Внутри кюветы плотно упакованы шарики 5 с заданным диаметром в виде трехмерного фотонного кристалла. Диаметр шариков сравним с длиной волны регистрируемого электромагнитного излучения или существенно превосходит ее значение. Падающее на кювету электромагнитное излучение 11 проходит через окно 3 кюветы, состоящее из предохраняющего фоточувствительный слой диэлектрика, прозрачного для регистрируемого электромагнитного излучения. Попадая в фотонный кристалл, излучение многократно рассеивается внутри шариков 5. При условии близости длины волны излучения к диаметру шариков может реализоваться длительное послесвечение, связанное с локализацией фотонов из-за возрастания соответствующей функции плотности фотонных состояний вблизи спектрального положения "стоп-зоны" фотонного кристалла [3, 4], Соответственно вблизи поверхности шариков происходит проникновение излучения в область микрочастиц полупроводника 6, введенного в поры между шариками диэлектрика. Таким образом, площадь поверхности светочувствительного материала существенно возрастает по сравнению с площадью плоского фоторезистора. Соответственно возрастает чувствительность фотоприемнике на величину, близкую к отношению площади поверхности структурированного фоторезистора к площади плоского фоторезистора.
Если диаметр шариков существенно превосходит длину волны регистрируемого электромагнитного излучения, может реализоваться эффект "шепчущей галереи", когда без существенных потерь вследствие полного внутреннего отражения (см. вставку справа на Фиг.1) от поверхности шариков электромагнитная волна распространяется вдоль поверхности шариков. Условие проявления эффекта "шепчущей галереи" имеет вид:
<mrow><mi>π</mi><mi>D</mi><msub><mi>n</mi><mrow><mi>e</mi><mi>f</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>m</mi><mi>λ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>m</mi><mo>=</mo><mn>1,2,3</mn><mo>…</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
При выполнении этого условия происходит пленение электромагнитного излучения внутри шариков, что должно приводить к существенному увеличению фототока в приемном устройстве (см. Фиг.2). В результате величина тока, регистрируемого амперметром 12 в электрической цепи (см. Фиг.2), с источником напряжения 11, существенно увеличивается.
Другой вариант предлагаемого фотоприемного устройства иллюстрируется Фиг.4, 5. При этом (см. Фиг.4) электрическое напряжение 12 подводится к электродам 9, 10 и ток протекает через амперметр 12 и фоторезистор 6, находящийся вблизи металлической подложки 1, в направлении, параллельном направлению распространения регистрируемого электромагнитного излучения. Окно фотоприемника 3 изготовлено из материала, прозрачного для регистрируемого излучения, и покрывается полупрозрачным металлическим электродом 4. Общий вид кюветы приемного устройства при этом иллюстрируется Фиг.5. Как и в случае, представленном на Фиг.2, 3, чувствительность приемника повышается при использовании гетерогенной фоточувствительной среды в виде трехмерного фотонного кристалла 5 типа опаловой матрицы, за счет увеличения эффективной площади взаимодействия регистрируемого электромагнитного излучения с фоточувствительным полупроводником и пленения излучения при условии проявления эффекта "шепчущей галереи".
Вместо фотонного кристалла может быть использовано фотонное стекло, состоящее из разупорядоченных в пространстве диэлектрических шариков одинакового размера (см Фиг.6), расположенных внутри кюветы (см Фиг.7). Дополнительное усиление сигнала фотоприемника может быть обеспечено при введении в объем фоторезистора металлических квантовых точек, приводящих к гигантскому усилению электромагнитного поля [3] вблизи поверхности металлических частиц малых размеров. Выполненные эксперименты по регистрации электромагнитного излучения подтвердили эффект возрастания чувствительности фотоприемника в схемах, аналогичных схемам, представленных Фиг.2-5, по сравнению со стандартной схемой, приведенной на Фиг.1.
Литература.
1. Г.С. Ландсберг. Оптика. Издательство "Наука", Москва, 1976 г., стр.644-652.
2. Г.И. Епифанов. Физика твердого тела. Издательство "Высшая школа", москва„ 1965 г., стр.183-186.
3. B.C. Горелик. Оптика глобулярных фотонных кристаллов. Квантовая электроника. Т.37, №5, стр.409-432. 2007 г.
4. B.C. Горелик, А.А. Есаков, И.И. Засавицкий. Длительное свечение опаловых матриц, возбуждаемое импульсным ультрафиолетовым излучением, при низких температурах. Неорганические материалы, 2010, т.46, №6, с.716-721.