МАТРИЧНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕРАГЕРЦЕВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
ARRAY SENSOR OF TERAHERTZ RADIATION (VERSIONS)

Область техники.
Изобретение относится к технике измерений, в частности к измерению интенсивности электромагнитного излучения со спектральным, поляризационным и пространственным разрешением.
Уровень техники.
Регистрация многоспектрального (цветного) изображения существенно расширяет информативность получаемого изображения и широко используется в видимом и инфракрасном диапазонах излучения. Современные цифровые фото- и видеокамеры содержат кремниевые матричные структуры с пикселями, чувствительными к красному, зеленому и синему цвету, что позволяет достаточно точно регистрировать и воспроизводить цветные изображения, видимые глазом. В инфракрасной технике многоспектральные системы повышают контраст изображения и степень распознавания объектов наблюдения. Добавление функции поляризационной чувствительности в систему регистрации изображения улучшает контраст изображения и в некоторых случаях позволяет обнаруживать объекты, невидимые в неполяризованном свете (K.M.Yemelyanov, S.-S.Lin, E.N.Pugh, Jr., N. Engheta, Applied Optics, special issue on "Polarization Imaging and Remote Sensing," 45, 5504 (2006).) [1], что используется, например, в поляризационной микроскопии.
Аналогичные задачи получения многоспектрального и поляризационно-чувствительного изображения стоят и в терагерцевой области излучения в связи с быстрым развитием технологии и науки в этой области.
Из литературы известны многоспектральные системы для миллиметрового диапазона длин волн, основанные на каскаде поглотителей из метаматериалов, стоящих друг за другом (R.F.Silverberg, S.Ali, A.Bier, B.Campano, T.C.Chen, E.S.Cheng, D.A.Cottingham, T.M.Crawford, T.Downes, F.M.Finkbeiner, D.J.Fixsen, D.Logan, S.S.Meyer, C.O'Dell, T.Perera, E.H.Sharp, P.T.Timbie, G.W.Wilson, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 520, 421 (2004).) [2]. Данные системы работают при криогенных температурах и предназначены, главным образом, для космических исследований. Получение многоспектральных изображений с поляризационной чувствительностью в наземных условиях требует разработки неохлаждаемых, недорогих, простых в производстве и эксплуатации систем, способных работать в режиме реального времени.
Аналогом предлагаемому изобретению может служить матричный детектор терагерцевого излучения, основанный на матрице оптоакустических преобразователей (микроячейках Голея) (А.Г.Паулиш, С.А.Кузнецов, А.В.Гельфанд, В.Н.Федоринин, Патент РФ №2414688, 23.03.2010) [3]. Каждая ячейка матрицы представляет собой заполненную газом камеру, один торец которой является входным окном для электромагнитного излучения, противоположный торец закрыт гибкой мембраной с зеркальным покрытием с внешней стороны, а внутри камеры помещен поглощающий элемент.
К недостаткам данной конструкции можно отнести достаточно сложную и многоступенчатую технологию изготовления матричной структуры ячеек. Кроме того, конечная высота ячеек и наличие стенок между ячейками накладывают ограничение на минимальный размер ячейки в плоскости матрицы и минимальное расстояние между ячейками, обусловленные технологией изготовления матричной структуры ячеек.
Прототипом предлагаемому изобретению может служить ультратонкие резонансные поглотители на основе метаматериала с коэффициентом поглощения на заданной длине, близким к единице (X.Liu, T.Starr, A.F.Starr, and W.J.Padilla, Phys. Rev. Lett. 104, 207403, 2010) [4]. Ультратонкий резонансный поглотитель представляет собой многослойную структуру, которая состоит из диэлектрической пленки, толщиной много меньше длины волны поглощаемого излучения, на которой со стороны падения терагерцевого излучения выполнен металлизированный топологический рисунок, образующий частотно-избирательную поверхность (ЧИП) (понятие и свойства ЧИП подробно изложены в B.A.Munk, "Frequency Selective Surfaces: Theory and Design", John Wiley&Sons Inc, 2000). [5]. С противоположной стороны диэлектрической пленки нанесен сплошной слой с металлической проводимостью. Данная структура образует собой ультратонкий резонансный поглотитель с коэффициентом поглощения на резонансной частоте, близким к единице (более 0.9). Резонансная частота данного поглотителя определяется топологией ЧИП, толщиной диэлектрической пленки, а также омической проводимостью металлических слоев и диэлектрическими потерями в диэлектрической пленке. В современной литературе такие поглотители называют метаматериалом, так как размер топологического элемента ЧИП и толщина поглотителя существенно меньше длины волны регистрируемого излучения.
Использование ультратонких резонансных поглотителей для создания матричных многоспектральных, поляризационно-чувствительных преобразователей терагерцевого излучения из уровня техники не выявлено.
Задача изобретения и технический результат.
Задачей изобретения является создание многоспектрального матричного преобразователя терагерцевого излучения в инфракрасное излучение (которое может быть зарегистрировано с помощью имеющихся на сегодняшний день инфракрасных матричных приемников), обладающего пространственным, спектральным, поляризационным разрешением, а также малым временем отклика.
Технический результат.
По сравнению с прототипом [4] достигается реализация в едином устройстве функций многоспектрального и/или поляризационно-чувствительного детектирования терагерцевого излучения.
По сравнению с аналогом [3] - матричным детектором терагерцевого излучения, защищенного патентом РФ №2414688, приоритет от 23.03.2010, достигается заметное упрощение конструкции и технологии изготовления, повышение функциональности детектора, упрощение его эксплуатации, возможность повышения пространственного разрешения увеличением количества пикселей в матрице заданного размера.
Раскрытие изобретения.
Поставленная задача решена тем, что в известном устройстве, состоящем из диэлектрической пленки, на которой со стороны падения терагерцевого излучения выполнена частотно-избирательная поверхность (ЧИП), а на противоположной стороне нанесен сплошной слой с металлической проводимостью, согласно изобретению частотно-избирательная поверхность выполнена в виде матрицы фрагментов с различными топологическими рисунками, обеспечивающими различные спектральные и/или поляризационные чувствительности, а на противоположной стороне поверх сплошного слоя с металлической проводимостью нанесен тонкий слой материала, обладающего высокой излучательной способностью в инфракрасной области излучения (эмиссионный слой).
В результате поглощение терагерцевого излучения приводит к нагреву структуры и, следовательно, к увеличению интенсивности инфракрасного излучения со стороны эмиссионного слоя, которое может быть зарегистрировано инфракрасной камерой. Другими словами, терагерцевое излучение преобразуется в инфракрасное излучение. Каждый фрагмент ЧИП в совокупности с диэлектрической пленкой, сплошным металлическим слоем и эмиссионным слоем образуют пиксели матрицы преобразователя, обладающие различной спектральной и/или поляризационной чувствительностью.
Размер пикселя в плоскости преобразователя выбирается близким к длине волны регистрируемого излучения с тем, чтобы увеличить количество пикселей многоспектрального преобразователя при заданном размере матрицы и, тем самым, повысить пространственное разрешение.
В качестве варианта преобразователя, обладающего более высоким коэффициентом преобразования терагерцевого излучения в инфракрасное, предлагается структура, в которой вместо излучающего слоя выполнен второй резонансный поглотитель с максимумом поглощения в инфракрасной области. Для этого поверх слоя с металлической проводимостью наносится второй диэлектрический слой, на котором формируется металлизированный топологический рисунок, образующий вторую частотно-избирательную поверхность. Толщина второго диэлектрического слоя и топологический рисунок второй ЧИП выбираются такими, чтобы обеспечить резонансное поглощение для инфракрасного излучения. При этом максимум излучения, согласно закону Кирхгофа, также будет приходиться в инфракрасной области. Максимум инфракрасного (теплового) излучения при комнатной температуре (Т=300 К) соответствует длине волны 10 мкм, поэтому большинство современных матричных болометрических приемников имеют максимальную чувствительность на этой длине волны. При необходимости топология второй ЧИП и толщина второго диэлектрического слоя могут быть подобраны под другую длину волны инфракрасного излучения.
Для реализации многоспектрального режима с пространственным разрешением преобразователь содержит пиксели с различными топологическими рисунками ЧИП, обеспечивающими резонансное поглощение на различных длинах волн терагерцевого излучения.
Для реализации режима спектрофотометра - измерителя спектральной зависимости регистрируемого излучения - все пиксели матричной структуры имеют различные спектральные чувствительности в заданном диапазоне длин волн.
Для реализации поляризационной чувствительности на заданной длине волны ЧИП содержит анизотропную топологию, обеспечивающую поляризационно-зависимый коэффициент поглощения резонансного поглощающего слоя.
Для реализации режима поляриметра - измерителя эллипса поляризации поглощаемого излучения на заданной длине волны с пространственным разрешением - преобразователь содержит не менее 3 типов пикселей с поляризационно-зависимым коэффициентом поглощения.
Для достижения многоспектральности и поляризационной чувствительности преобразователь содержит не менее 2 типов пикселей со спектрально-зависимым коэффициентом поглощения и не менее 3 типов пикселей с поляризационно-зависимым коэффициентом поглощения поглотителей.
Для уменьшения блюминга, эффекта расплывания теплового поля в плоскости преобразователя за счет его конечной теплопроводности, и повышения качества получаемого изображения в преобразователе могут быть выполнены сквозные разрезы в промежутках между пикселями, не нарушающие целостности структуры преобразователя.
Обоснование введенных признаков.
Нанесение на сторону, противоположную падающему терагерцевому излучению, поверх слоя с металлической проводимостью тонкого слоя материала, обладающего высокой излучательной способностью в инфракрасной области излучения (коэффициент серости близкий к единице), позволяет реализовать прямую конверсию интенсивности терагерцевого излучения в инфракрасное излучение с последующим детектированием обычной инфракрасной камерой. Формирование матричной структуры преобразователей с пикселями, обладающими различной спектральной и/или поляризационной чувствительностью по сравнению с моноспектральным ультратонким поглотителем, позволяет реализовать многоспектральный режим детектирования терагерцевого излучения с поляризационным разрешением.
При работе преобразователя при комнатной температуре (Т=300 К) излучающий слой имеет максимум излучения в районе λ=10 мкм. Примером излучающего слоя может быть слой углеродсодержащего материала (графит, сажа, медная или золотая чернь), обладающие коэффициентом серости, близким к единице.
Описание изобретения.
Описание изобретения поясняется фигурами 1, 2 (а, б, в, г), 3, 4, 5 и 6.
На фигуре 1 показана структура преобразователя, где 1 - диэлектрический слой, 2 - частотно-избирательная поверхность, которая представляет собой топологический рисунок, выполненный в слое металла, обеспечивающий резонансное поглощение на заданной длине волны терагерцевого излучения, 3 - слой с металлической проводимостью, 4 - слой, излучающий инфракрасное излучение, 5 - терагерцевое излучение, 6 - инфракрасное излучение. Частотно-избирательная поверхность (ЧИП) вместе с диэлектрическим слоем и слоем с металлической проводимостью образуют ультратонкий резонансный поглотитель толщиной много меньше длины волны регистрируемого терагерцевого излучения.
На фигуре 2 (а, б, в и г) показаны фрагменты матриц пикселей для реализации заявляемых режимов работы.
Для реализации многоспектрального поляризационно-независимого режима матрица содержит пиксели двух и более типов с поглощающими слоями с изотропной топологией ЧИП, имеющих резонанс для различных длин волн терагерцевого излучения (фиг.2, а).
Для реализации режима спектрофотометра - измерителя спектральной зависимости регистрируемого излучения, все пиксели матричной структуры имеют различные спектральные чувствительности в заданном диапазоне длин волн.
Для реализации многоспектрального поляризационно-чувствительного режима матрица содержит пиксели двух и более типов с поглощающими слоями с анизотропной топологией ЧИП, имеющих резонанс для различных длин волн терагерцевого излучения (фиг.2, б). Направление поляризации излучения, соответствующее максимальному поглощению, показано стрелками. При ортогональном направлении поляризации падающего излучения поглощение будет равняться нулю. Таким образом, данный тип резонансного поглотителя выполняет одновременно и роль поляризационного фильтра.
Для реализации режима монохроматического поляриметра с пространственным разрешением (измерителя эллипса поляризации поглощаемого излучения на заданной длине волны) матрица содержит пиксели трех типов с поглощающими слоями с анизотропной (чувствительной к направлению поляризации) топологией ЧИП, имеющих резонанс для трех направлений вектора поляризации терагерцевого излучения с заданной длиной волны, повернутых относительно друг друга на 45 градусов (фиг.2, в). Направление поляризации, соответствующее максимальному поглощению, показано направлением штриховки.
Реализация режима многоспектрального поляриметра осуществляется комбинацией в одной матрице пикселей с анизотропной топологией ЧИП, имеющих резонанс для разных длин волн и направлений вектора поляризации терагерцевого излучения (фиг.2, г).
1
2
3
Наличие трех пикселей с анизотропной ЧИП, имеющих резонансное поглощение на одной длине волны, но для трех разных направлений поляризации, повернутых относительно друг друга на заданный угол, является необходимым и достаточным условием для однозначного определения эллипса поляризации поглощаемого излучения. На фигуре 3 показан эллипс поляризации, определяемый тремя параметрами: полуосями а и в, и углом наклона θ эллипса относительно выбранных осей координат. Если обозначить величины сигналов, получаемых с каждого типа пикселей, развернутых относительно друг друга на 45 градусов, как I, I, I, то параметры эллипса поляризации а, в, θ будут определяться системой из трех уравнений:
0
1
3
I=I+I
0
2
2
где I=a+b;
A=b/a.
Для уменьшения теплоотдачи поглотителя за счет теплопроводности окружающего воздуха преобразователь может быть помещен в вакуумную камеру, имеющую входное окно, прозрачное для терагерцевого излучения, и выходное окно, прозрачное для инфракрасного излучения.
Для уменьшения блюминга, эффекта расплывания теплового поля в плоскости поглотителя за счет его конечной теплопроводности и повышения качества получаемого изображения в поглотителе могут быть выполнены сквозные разрезы в промежутках между пикселями, не нарушающие целостности структуры поглотителя. Схема разрезов показана на фигуре 4, где 7 - пиксели преобразователя, 8 - сквозные разрезы.
Схема получения изображений с помощью предлагаемого матричного преобразователя показана на фигуре 5, где 1 - диэлектрический слой, 2 - частотно-избирательная поверхность, которая представляет собой топологический рисунок, выполненный в слое металла, обеспечивающий резонансное поглощение на заданной длине волны терагерцевого излучения, 3 - слой с металлической проводимостью, 4 - слой, излучающий инфракрасное излучение, 9 - источник терагерцевого излучения, 10 - терагерцевый объектив, 11 - вакуумная камера, 12 - инфракрасный объектив, 13 - инфракрасная камера, 14 - блок обработки изображения.
Обработка изображений для разных длин волн и изображений распределения поляризации осуществляется программным обеспечением для инфракрасной камеры.
На фигуре 6 показана структура матричного преобразователя по второму варианту, где функции излучающего слоя выполняет второй резонансный поглотитель инфракрасного 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 терагерцевого излучения, 3 - слой с металлической проводимостью, 15 - второй диэлектрический слой, 16 - вторая частотно-избирательная поверхность, которая представляет собой топологический рисунок, выполненный в слое металла, обеспечивающий резонансное поглощение (излучение) инфракрасного излучения, 5 - терагерцевое излучение, 6 - инфракрасное излучение.
Преобразователь работает следующим образом.
Терагерцевое излучение 5 (фигура 1) поглощается ультратонким резонансным поглотителем (слои 1+2+3), что приводит к нагреву преобразователя. Нагрев преобразователя приводит к увеличению интенсивности теплового инфракрасного излучения со стороны слоя 4 или слоев 3+15+16 (фигура 6). Таким образом, изменение энергии терагерцевого излучения приводит к изменению энергии инфракрасного излучения. Другими словами, терагерцевое излучение преобразуется в инфракрасное.
Использованные источники информации
1. K.M.Yemelyanov, S.-S.Lin, E.N.Pugh, Jr., N. Engheta, Applied Optics, special issue on "Polarization Imaging and Remote Sensing," 45, 5504, 2006.
2. R.F.Silverberg, S.Ali, A.Bier, B.Campano, T.C.Chen, E.S.Cheng, D.A.Cottingham, T.M.Crawford, T.Downes, F.M.Finkbeiner, D.J.Fixsen, D.Logan, S.S.Meyer, C.O'Dell, T.Perera, E.H.Sharp, P.T.Timbie, G.W.Wilson, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 520, 421, 2004.
3. А.Г.Паулиш, С.А.Кузнецов, А.В.Гельфанд, В.Н.Федоринин, Патент РФ №2414688, 23.03.2010.
4. X.Liu, T.Starr, A.F.Starr, and W.J.Padilla, Phys. Rev. Lett. 104, 207403, 2010.
5. B.A.Munk, "Frequency Selective Surfaces: Theory and Design", John Wiley & Sons Inc. 2000.