Фотопроводящая антенная решетка

Настоящая полезная модель относится к области фотопроводящих приемных устройств и может быть использована в фотопроводящих антенных решетках.
//
В настоящее время актуально применение методов терагерцовой (THz) импульсной спектроскопии и визуализации для решения задач медицинской диагностики злокачественных новообразований различной нозологии и локализации, используя эндогенные (естественные) маркеры новообразования, показана возможность применения THz технологий в задачах ранней неинвазивной и интраоперационной диагностики злокачественных новообразований кожи и слизистой, минимально-инвазивной и интраоперационной диагностики новообразований кишечника и желудка, а также интраоперационной диагностики новообразований молочной железы и головного мозга [Д.В. Лаврухин, Р.Р. Галиев, А.Ю. Павлов, А.Э. Ячменев, М.В. Майтама, И.А. Глинский, Р.А. Хабибуллин, Ю.Г. Гончаров, К.И. Зайцев, Д.С. Пономарев. Плазмонные фотопроводящие антенны для систем терагерцовой импульсной спектроскопии и визуализацииОптика и спектроскопия, 2019, том 126, вып. 5]. Разработка методов THz диагностики злокачественных новообразований и их внедрение в клиническую практику в значительной степени ограничены отсутствием доступных эффективных источников и детекторов THz излучения — они по-прежнему остаются низкоэффективными, громоздкими и трудными в использовании. Фотопроводящая антенна, освещаемая ультракороткими лазерными импульсами, используется для генерации и регистрации THz излучения.
Принцип работы фотопроводящей антенны заключается в том, что когда фемтосекундный лазерный импульс (который имеет энергию больше, чем энергия запрещенной зоны полупроводника) фокусируется на поверхность фотопроводящей антенны между электродами, происходит фотогенерация носителей заряда (электронов и дырок). В режиме излучателя на электроды подается напряжение смещения, которое создает электрическое поле и ускоряет носители заряда в течение оптического импульса. Это приводит к образованию диполей, излучающих электромагнитную волну в терагерцовой области.
.
Как правило, фотопроводящая подложка изготавливается из арсенида галлия с показателем преломления в терагерцовом диапазоне порядка 3,4 [Номоев С.АФотопроводящие антенны для генерации ТГц излучения, принципы их работы и выбор оптимальных физических параметров // Научно-практический электронный журнал Аллея Науки, №13, 2017,  Alley-science.ru]. При таких показателях преломления значительная часть терагерцовой волны, которая в дипольной антенне имеет большой угол расходимости, испытывает полное внутренне отражение и не выводится наружу. Для устранения данной проблемы и фокусировки терагерцового импульса фотопроводящая антенна приводится в контакт с полусферической линзой из кремния. Кремниевая линза в терагерцовом диапазоне длин волн имеет потери на отражение более 50%. Полусферическая кремниевая линза может иметь диаметр порядка 2 мм.
Известны фотопроводящие антенны [Nathan M. Burford, Magda O. El-Shenawee, Review of terahertz photoconductive antenna technology // Opt. Eng. 56(1), 010901 (2017), doi: 10.1117/1.OE.56.1.010901], содержащие фотопроводящую подложку, антенные электроды и высокоомную полусферическую кремниевую линзу.
Известные устройства имеют низкую эффективность, связанную с высоким коэффициентом преломления материала фотопроводника и фокусирующей кремниевой линзы и, как следствие, большими потерями энергии на отражение на границах этих материалов. Кроме того, область фокусировки электромагнитного излучения линзой формируется на некотором расстоянии от теневой поверхности линзы, что требует определенного зазора между фотопроводником и линзой, увеличивает общую толщину устройства.
Известны фотопроводящие антенны [D.V. Lavrukhin, A.E. Yachmenev, I.A. Glinskiy, R.A. Khabibullin, Y.G. Goncharov, M. Ryzhii, T. Otsuji, I.E. Spector, M. Shur, M. Skorobogatiy, K.I. Zaytsev, D.S. Ponomarev. Terahertz photoconductive emitter with dielectric-embedded high-aspect-ratio plasmonic grating for operation with low-power optical pumps // AIP Advances. – 2019. – V. 9. – P. – 015112 5 p.], содержащие фотопроводящую подложку с антиотражающим (просветляющим) слоем, антенные электроды и кремниевую линзу.
2
3
Достоинством устройства является то, что благодаря подбору оптимальной толщины согласующего слоя из AlO возможно добиться эффективного проникновения оптического излучения в фотопроводник.
Недостатком устройства является его низкая эффективность из-за потерь энергии излучения на отражение на границах поверхности линзы и большая толщина устройства.
В качестве прототипа выбрана фотопроводящая антенная решетка по патенту WO 2017/023172 Al. Фотопроводящая антенная решетка, содержит фотопроводящую подложку, массив антенных электродов на подложке или в подложке и пары антенных электродов, которые разделены между собой зазором, множество микролинз, расположенных поверх фотопроводящей подложки, причем каждая микролинза выполнена с возможностью концентрирования входящего света на части фотопроводящей подложки, на которой или в которой расположен соответствующий зазор.
Недостатком устройства является его низкая эффективность из-за потерь энергии излучения на отражение на границах поверхности линзы и большая толщина устройства.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков, а именно повысить энергетическую эффективность и уменьшить габариты устройства.
λ,
λ –
i=1,2,3…  .
Указанная задача достигается тем, что в фотопроводящей антенной решетке, содержащей фотопроводящую подложку, массив антенных электродов на подложке или в подложке и которые разделены между собой зазором, множество микролинз, расположенных поверх фотопроводящей подложки, причем каждая микролинза выполнена с возможностью концентрирования входящего света на части фотопроводящей подложки, на которой или в которой расположен соответствующий из зазоров, новым является то, что микролинза выполнена в форме мезоразмерной диэлектрической частицы с характерным размером не менее где длина волны используемого излучения, с показателем преломления материала частицы, находящимся в диапазоне примерно от 1,4 до 1,8 и расположенная непосредственно на фотопроводящей подложке. Кроме того, микролинза выполнена в форме сферической диэлектрической частицы с диаметром примерно равным , где
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, 2436-24].
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.
При этом формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии непосредственно на теневой 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 1,4 до 1,8, 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 примерно 1,4 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 1,8 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы и не может быть использована для повышения носителей в фотопроводящем слое антенны.
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 1,8, внутри частицы происходит формирование 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. Минин. Фотоника 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)].
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. А использование материала с невысоким значением коэффициента преломления снижает потери энергии на отражение [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978].
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящей полезной модели критерию «новизна».
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков полезной модели на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обусловливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «изобретательский уровень».
Полезная модель поясняется чертежом.
На фиг. 1 приведена схема фотопроводящей антенной решетки.
Обозначения: 1 –  импульсный лазерный источник излучения, 2 – фотопроводящая подложка, 3 – мезоразмерная диэлектрическая сферическая частица, 4 – электроды, 5 – зазор между электродами, 6 – область фокусировки излучения, возникающая непосредственно на теневой поверхности частицы (фотонная струя).
i=1,2,3…, λ –
В результате проведенных исследований было установлено, что оптимальный диаметр диэлектрической частицы равняется примерно равный   и носит периодический характер, где длина волны используемого излучения. При этом условии частица обеспечивает субволновую фокусировку излучения (фотонную струю). Например, для излучения с длиной волны λ=0,8 мкм, фотопроводящей подложки из GaAs, диэлектрической частицы с коэффициентом преломления порядка 1,48–1,50 и диаметром 1,5λ было получено, что увеличение генерируемого антенной фототока составило примерно 1,5–1,6 раз. При увеличении диаметра частицы эта величина возрастает еще больше.
Устройство фотопроводящей антенной решетки работает следующим образом.
Электромагнитное излучение, сформированное импульсным лазером 1, освещает массив мезоразмерных диэлектрических сферических частиц 3, изготовленных из материала с низким показателем преломления по сравнению с показателем преломления материала фотопроводящей подложки слоя и расположенных непосредственно на фотопроводящей подложке 2 в зазорах 5 между электродами 4. При этом диэлектрические частицы 3 формируют на своей теневой поверхности область фокусировки 6 (фотонную струю). В результате освещение электромагнитным излучением поверхности фотопроводящей подложки 2 в зазоре между электродами 5, происходит фотогенерация электронов и дырок. В режиме излучателя на электроды подается напряжение смещения, которое создает электрическое поле и ускоряет носители заряда в течение оптического импульса. Это приводит к образованию диполей, излучающих электромагнитную волну в терагерцовой области. В режиме приема с электродов снимается сигнал пропорциональный интенсивности падающего излучения.
Так как коэффициент преломления диэлектрической частицы мал, по сравнению с коэффициентом преломления кремния, достигается условие минимальных потерь излучения на отражение и линза выступает своеобразным согласующим слоем для фотопроводящей подложки. Субволновая фокусировка излучения позволяет уменьшить величину зазора между электродами. Исключен зазор между линзой и фотопроводящей подложкой, что уменьшает габариты устройства.