ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК

Настоящая полезная модель относится к приемникам электромагнитного излучения, в частности к неселективным оптико-акустическим приемникам.
Оптико-акустические приемники (ОАП) являются наиболее чувствительными из известных неохлаждаемых приемников инфракрасного и дальнего инфракрасного излучения. ОАП имеет в своей основе конструкцию, впервые предложенную Голеем (M.J.E. Golay) в 1947 г. и часто называемую ячейкой Голея. Идея подобных приемников состоит в том, что в результате поглощения электромагнитного излучения происходят колебания давления среды в ячейке, и далее указанные колебания каким-либо образом регистрируются.
Из публикации в журнале Rev. Sci. Instr., 1969, 40, p. 733 известно устройство для обнаружения ИК-излучения, полученное путем комбинирования приемной камеры (представляющей собой ячейку Голея) и оптического микрофона. Детектируемое излучение попадает в приемную камеру, где поглощается, при этом в камере изменяются температура и соответственно давление наполняющего газа. Колебания регистрируются посредством оптического микрофона, в состав которого входят источник вспомогательного излучения, приемник излучения, растр, конденсор и объектив. Однако чувствительность такого устройства невысокая.
Последующее развитие ОАП было направлено на увеличение чувствительности приемника, расширение регистрируемого диапазона длин волн, общее снижение уровня шума приемника. Одним из решений является ОАП, описанный в публикации «Современные оптико-акустические приемники излучения», Оптический журнал, № 5, 1994, с. 5, 6. В указанном ОАП, который также содержит камеру, в которой поглощается электромагнитное излучение и возникают колебания давления, поглощение происходит неселективно в широкой области от 1 до 3000 мкм.
Пульсации давления вызывают колебания зеркальной мембраны, представляющей собой одну из стенок приемной камеры. Колебания мембраны регистрируются с помощью оптического микрофона, состоящего из источника вспомогательного излучения, конденсора, прозрачного растра, зеркала и фотоприемника. Через растр на мембрану конденсором проецируется изображение вспомогательного источника излучения, которое затем через вторую половину растра и конденсора направляется зеркалом через диафрагму на фотоприемник. Такая конструкция позволяет заметно улучшить чувствительность приемника. В то же время при исследовании источников и приемников ИК-излучений, мониторинге и контроле полей ИК-излучений, измерении слабых потоков ИК-излучения в спектрометрии и низкотемпературной пирометрии, а также в иных научных задачах, требующих регистрации низкоэнергетических сигналов в диапазоне длин волн от 15 мкм до 6-8 мм, существует необходимость в еще более эффективных и чувствительных устройствах.
Из уровня техники известна попытка усовершенствования указанного выше базового решения, описанная в патентном документе RU 2169911. Решение, раскрытое в данном документе, направлено на повышение уровня информационного сигнала и чувствительности оптического микрофона в составе ОАП путем введения светоделителя и дополнительных конденсора и фотоприемника. Однако данное решение не приводит к заметному повышению эффективности, так как из-за дополнительных элементов сильно увеличиваются потери сигнала и возрастает уровень шума. Возрастает также общая сложность конструкции, требования к точности выполнения сборки компонентов.
В качестве прототипа выбрано устройство ОАП по евразийскому патенту EA 011914 B1 20090630, МПК G02F 1/11, содержащего приемную камеру, снабженную входным окном, поглощающую излучение пленкой и зеркальной мембраной, входное окно приемной камеры снабжено оптическим конусом, и оптический микрофон, включающий источник вспомогательного излучения, оптический растр, детектор излучения и оптическую систему, выполненную с возможностью обеспечения прохождения вспомогательного излучения от указанного источника через оптический растр к зеркальной мембране, обратного прохождения отраженного вспомогательного излучения через оптический растр и поступления отраженного вспомогательного излучения на детектор излучения.
При установке оптического конусного концентратора (оптический конус) на входное окно приемной камеры увеличивается концентрация энергии исследуемого излучения на площадку входного окна, а значит и на поглощающую пленку. В результате увеличивается амплитуда колебаний зеркальной мембраны, а значит и амплитуда переменной составляющей информационного сигнала.
Выходной диаметр (размер) оптического конуса превышает характерную длину волны используемого излучения и не обеспечивает необходимую концентрацию энергии в поглощающей пленки приемной камеры.
Недостатком данного оптико-акустического приемника является не эффективность ввода излучения в приемную камеру.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение чувствительности оптико-акустического приемника.
Указанная задача достигается тем, что оптико-акустический приемник содержит приемную камеру, снабженную входным окном с оптическим конусом, и оптический микрофон, согласно полезной модели непосредственно между окном приемной камеры и оптическим конусом располагается диэлектрическая мезомасштабная частица, формирующая фотонную струю.
Кроме того, диэлектрическая мезомасштабная частица выполнена в виде монослоя диэлектрических мезомасштабных частиц.
Настоящая полезная модель направлена на совершенствование оптико-акустических приемников (ОАП) электромагнитного излучения, повышение их чувствительности и увеличение полезного сигнала (увеличение отношения сигнал/шум). С этой целью предлагается ОАП, содержащий приемную камеру, снабженную входным окном с оптическим конусом, и оптический микрофон.
Данный оптико-акустический приемник отличается тем, что для обеспечения максимального улавливания регистрируемого излучения и повышения эффективности ввода излучения в приемную камеру непосредственно между окном приемной камеры и оптическим конусом располагается диэлектрическая мезомасштабная частица, формирующая фотонную струю.
Кроме того, оптико-акустический приемник отличается тем, что для обеспечения максимального улавливания регистрируемого излучения непосредственно между окном приемной камеры и оптическим конусом располагается монослой диэлектрических мезомасштабных частиц, формирующих фотонные струи.
Диэлектрические мезомасштабные частицы различной формы (сфера, кубик, пирамида, конус, правильный шестиугольник и т.д.), формирующие фотонную струю, ранее использовались, например, для фокусировки излучения в субволновую область (Minin I.V., Minin O.V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit\\Springer, 2016 75p. ISBN: 978 3 319 24251 4), в устройствах наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии (патент РФ 2557677), в малогабаритном спектрометрическом датчике излучения (патент РФ 153680), малогабаритном интегрированном датчике террагерцового излучения (патент РФ 153471), субволновом датчике волнового фронта (патент РФ 160810), оптическом микродатчике на основе фотонных струй терагерцовых ИК или оптических волн (патент РФ 161592), в устройстве для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка (патент РФ 161207), в устройстве субволновой оптической ловушки в поле стоячей волны (патент РФ 160834), в многоэлементном малогабаритном эмиттере генератора террагерцового излучения (патент РФ 160986).
Однако в ОАП указанные элементы ранее не применялись.
Фотонная струя - это область повышенной концентрации электромагнитной энергии, возникающая непосредственно у границы диэлектрической мезомасштабной частицы с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью от 2 до 10λ (Minin I.V., Minin O.V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit\\Springer, 2016, 75p. ISBN: 978 3 319 24251 4], где λ длина волны излучения в свободном пространстве. При этом размер частиц составляет не менее λ/2.
Чем больше размер мезомасштабной частицы, тем эффективнее осуществляется фокусировка излучения, но при этом возрастают потери излучения на отражение, уменьшая эффективность предлагаемого устройства. Формируя фотонные струи с помощью диэлектрических мезомасштабных частиц, достигается высокая локализация высокоинтенсивного ближнего поля в объеме поглощающей пленки приемной камеры ОАП. Данное увеличение поглощения происходит, с микроскопической точки зрения за счет того, что диэлектрическая мезомасштабная частица локально усиливает электрическое поле, что приводит к появлению так называемых горячих пятен - субволновых областей концентрации излучения. Так как горячие пятна возникают в области, занятой поглощающей излучение пленкой, то падающее излучение эффективно поглощается в ней. Таким образом, повышается эффективность ввода излучения в приемную камеру ОАП. Поглощенная пленкой энергия излучения передается газу, наполняющему камеру, в результате чего в камере возникают пульсации давления газа с частотой, равной частоте прерывания потока падающего излучения. Эти пульсации воспринимаются оптическим микрофоном.
Дальнейшее повышение чувствительности ОАП может осуществляться за счет расположения непосредственно между окном приемной камеры и оптическим конусом монослоя диэлектрических мезомасштабных частиц, формирующих фотонные струи.
Чувствительность при этом увеличивается в 4-6 раз в сравнении с ближайшим аналогом.
В качестве материала диэлектрических мезомасштабных частиц может применяться материал с относительным коэффициентом преломления, лежащим в диапазоне о 1.2 до 1.7, например, таких как фторопласт, полистирол, полиметилметакрилат (ПММА), полимера поли-4-метилпентен-1, полиэтилен, обладающие малыми потерями энергии излучения в материале и т.д. Могут использоваться и другие полимеры и материалы, обеспечивающие пропускание излучения в нужном диапазоне.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема ОАП в соответствии с вариантом осуществления полезной модели с одной диэлектрической мезомасштабной частицей, формирующей фотонную струю; на фиг .2 представлена принципиальная схема ОАП в соответствии с вариантом осуществления полезной модели с монослоем диэлектрических мезомасштабных частиц, формирующих фотонные струю; на фиг. 3 приведены результаты моделирования формирования фотонной струи диэлектрическими частицами сферической и кубической формы различных размеров.
Обозначения на рисунках: 1 - падающее излучение, 2 - оптический конус, 3 - диэлектрическая мезомасштабная частица, формирующая фотонную струю, 4 - фотонная струя, 5 - приемная камера, 6 - оптический микрофон, 7 - монослой диэлектрических мезомасштабных частиц, формирующих фотонные струи 8.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели
В соответствии с примерным вариантом осуществления полезной модели оптико-акустический приемник функционирует следующим образом.
Для того чтобы получить на выходе переменный электрический сигнал, который более предпочтительно регистрировать по сравнению с постоянным сигналом, подлежащее регистрации излучение подвергается модуляции известным из уровня техники способом. Модуляция может заключаться, например, в периодическом прерывании потока излучения с заданной частотой. Модулированный поток излучения 1 проходит через входной конус 2, благодаря чему усиливается, и освещает диэлектрическую мезомасштабную частицу 3, формирующую фотонную струю 4, или монослой диэлектрических мезомасштабных частиц 7, формирующих фотонные струи 8. При этом поток излучения еще сильнее концентрируется в локальной области с размерами менее дифракционного предела. Сформированная фотонная струя 3 или струи 8 через окно приемной камеры 5 попадает на поглощающую излучение пленку. Поглощенная пленкой энергия передается газу, наполняющему камеру, в результате чего в камере возникают пульсации давления газа с частотой, равной частоте прерывания потока падающего излучения, которое регистрируется оптическим микрофоном 6. Оптический микрофон 6 и приемная камера 5 представляют собой известные в данной области техники устройства. Использование фотонной струи 3 или фотонных струй 8 позволяет уменьшить объем приемной камеры и тем самым повысить быстродействие ОАП.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» у кубика начинается с размера грани 0.5 длины волны используемого излучения. В то время как у сферы при таком диаметре на одной поляризации локализация поля еще не выделена. При этом максимальная интенсивность поля на оси у кубика выше, чем у сферы в 1.4 раза (фиг. 3).
Для характерных размеров кубика и сферы менее λ/2 «фотонная струя» не формируется.
Диэлектрические мезомасштабные частицы могут быть изготовлены используя 3D принтер или при помощи электронно-лучевой литографии.
Монослой диэлектрических мезомасштабных частиц, формирующих фотонные струю, например, может быть получен при помощи самоорганизации коллоидных частиц на поверхности, например на пленке из лавсана. Упорядоченные структуры были спроектированы и произведены в слое полиметилметакрилата (ПММА) при помощи электронно-лучевой литографии.
Разумеется, приведенные варианты осуществления полезной модели является лишь примером, и на практике возможны различные видоизменения и модификации, остающиеся в рамках полезной модели, определяемые формулой полезной модели.