ДЕФЛЕКТОР ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ РЕВЕРСИВНЫЙ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам, позволяющим отклонять инфракрасное (ИК) излучение лазера, и может найти применение для точного определения дефектов в различных структурах и в системах слежения.
Известен дефлектор ИК излучения (прототип - Антонов В.В., Кузнецов В.А. Патент на полезную модель №85234, опубликован 27.07.2009, бюлл. №21, приоритет от 20.03.2009,) служащий для тех же целей, что предлагаемое устройство, содержащее источник ИК излучения с модулятором, фотоприемник (ФП), фокусирующую систему, криостат, заполненный хладогентом, с входным и выходным диэлектрическим окном и с полупроводниковой отклоняющей системой (ПОС), к которой подключен источник напряжения.
Недостатком этого устройства являются:
а) узкий динамический диапазон отклонения луча лазера, что снижает функциональные возможности дефлектора,
б) невозможность реверсивного (обратного) хода луча дефлектора, что исключает возможность применения дефлектора в качестве сканирующего устройства.
с
ф
ф
ф
М
Технической задачей полезной модели является создание устройства с большим динамическим диапазоном и с реверсивным ходом луча дефлектора. Техническая задача достигается тем, что дефлектор ИК излучения, содержащий источник ИК излучения с модулятором, фотоприемник с микрометрическим датчиком, установленными позади выходного диэлектрического окна, и фокусирующую систему, которая установлена впереди входного диэлектрического окна криостата так, что ось падающего ИК луча и фокусирующей системы совпадает с осью симметрии входного и выходного диэлектрических окон и ПОС с двумя плоскими контактами, установленными внутри криостата заполненного хладогентом, причем криостат выполнен в виде полого корпуса, на дне которого установлен держатель, на котором укреплена ПОС, выполненная в виде совокупности полупроводниковых слоев с изменяющимися показателями преломления, причем эти слои размещены так, что градиент показателя преломления в этих слоях перпендикулярен оси луча, а длина волны ИК излучения λ>λ - длины волны, соответствующей краю собственного поглощения полупроводников, из которых выполнена ПОС, кроме того, контакты выполнены в виде плоскостей, параллельных данной оси, а к контактам подключен источник питания с напряжением U, удовлетворяющим условию eU<Е, где е - заряд электрона, Е - энергия фонона, кроме того, на дне корпуса выполнено выходное диэлектрическое окно, диаметр которого превышает диаметр ИК луча, прошедшего через ПОС, а входное диэлектрическое окно выполнено в верхней стенке криостата съемным так, что его диаметр был не меньше диаметра ИК луча, прошедшего через фокусирующую систему согласно полезной модели дополнительно установлено за выходным диэлектрическим окном полупрозрачное зеркало, способное разделять выходящее из ПОС ИК излучение на два перпендикулярных луча, один из которых падает на ФП, установленный на юстировочном столике и подключенный к блоку питания, в цепь которого включено сопротивление нагрузки, с которого падение напряжения подается на коммутирующее реле, включенное в цепь источника напряжения ПОС, причем ФП выполнен таким образом, чтобы размеры его фоточувствительной области l не превосходили величины максимального отклонения ИК луча l, падающего на ФП.
ф
М
Отличие предлагаемой полезной модели от прототипа состоит в том то, что установлено за выходным диэлектрическим окном полупрозрачное зеркало, способное разделять выходящее из ПОС ИК излучение на два перпендикулярных луча, один из которых падает на ФП, установленный на юстировочном столике и подключенный к блоку питания, в цепь которого включено сопротивление нагрузки, с которого падение напряжения подается на коммутирующее реле, включенное в цепь источника напряжения ПОС, причем ФП выполнен таким образом, чтобы размеры его фоточувствительной области l не превосходили величины максимального отклонения ИК луча l, падающего на ФП.
На фигуре изображена схема дефлектора ИК излучения реверсивного.
с
ф
ф
ф
М
Устройство состоит из следующих элементов: источник ИК излучения 1 с модулятором 2, фотоприемник 3 с микрометрическим датчиком 4, установленными позади выходного диэлектрического окна 6, и фокусирующая система 8, которая установлена впереди входного диэлектрического окна 9 криостата 12 так, что ось падающего ИК луча и фокусирующей системы совпадает с осью симметрии входного и выходного диэлектрических окон и ПОС 10 с двумя плоскими контактами 11, установленными внутри криостата 12 заполненного хладогентом 13, причем что криостат выполнен в виде полого корпуса, на дне которого установлен держатель 14, на котором укреплена ПОС, выполненная в виде совокупности полупроводниковых слоев с изменяющимися показателями преломления, которые размещены так, что градиент показателя преломления в этих слоях перпендикулярен оси луча, а длина волны ИК излучения λ>λ - длины волны, соответствующей краю собственного поглощения полупроводников, из которых выполнена ПОС, кроме того, контакты выполнены в виде плоскостей, параллельных данной оси, а к контактам подключен источник питания 16 с напряжением U, удовлетворяющим условию eU<Е, где е - заряд электрона, Е - энергия фонона, кроме того, на дне корпуса выполнено выходное диэлектрическое окно, диаметр которого превышает диаметр ИК луча, прошедшего через ПОС, а входное диэлектрическое окно выполнено в верхней стенке криостата съемным так, что его диаметр был не меньше диаметра ИК луча, прошедшего через фокусирующую систему. В предлагаемой модели дополнительно установлено за выходным диэлектрическим окном полупрозрачное зеркало 7, способное разделять выходящее из ПОС ИК излучение на два перпендикулярных луча, один из которых падает на ФП, установленный на юстировочный столик 15 и подключенный к блоку питания 5, в цепь которого включено сопротивление нагрузки 18, с которого падение напряжения подается на коммутирующее реле 17, включенное в цепь источника напряжения ПОС, причем ФП выполнен таким образом, чтобы размеры его фоточувствительной области l не превосходили величины максимального отклонения ИК луча l, падающего на ФП.
Принцип работы предлагаемой полезной модели.
ф
ф
5
-1
Предлагаемая полезная модель содержит источник ИК излучения 1, которое модулируется модулятором 2 с частотой модуляции 1 кГц и фиксируется фотоприемником 3, установленным на юстировочном столике 15, перемещение которого регулируется микрометрическим датчиком 4 и который запитывается блоком питания 5, установленными позади выходного диэлектрического окна 6 и полупрозрачного зеркала 7 так, что ось падающего на ФП луча и фокусирующей системы 8 совпадают с осью симметрии входного диэлектрического окна 9 и ПОС 10 с двумя плоскими контактами 11 установленной внутри криостата 12, заполненного хладогентом 13, на держателе 14, причем к ПОС напряжение U от источника напряжения 16, в цепи которого установлено коммутирующее реле 17, на которое подается падение напряжения с сопротивления нагрузки 18. Технология получения полупроводниковой отклоняющей системы 10 связана с методом молекулярно-лучевой эпитаксии и фотолитографии на основе соединений GaAs-GaP и их твердых растворов. Полупроводниковые системы, у которых осуществляется модуляция показателя преломления (ПП) на масштабе, сравнимом с длиной волны электромагнитного излучения, является в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений в физике твердого тела. Эти системы называются фотонными кристаллами (ФК). Свои классические электродинамические свойства они проявляют в условиях, когда реализуется при температуре хладогента 13 (77 К) в криостате 12 баллистический режим пролета электрона (БРПЭ). Это означает, что скорость электрона по порядку величины совпадает с среднетепловой скоростью и электроны движутся практически без столкновений, так как длина свободного пробега при низких температурах (77 К) сильно возрастает. Важным условием выполнения БРПЭ является малоэнергетический режим пролета электрона. Этот режим реализуется при условии eU<Е, где е - заряд электрона, U - напряжение источника 15, Е - энергия фонона. При нарушении этого условия "горячий" электрон практически мгновенно испускает фонон, происходит рассеивание электронов на фононах и нарушается БРПЗ. В предлагаемом устройстве U меняется от нуля до сотой доли вольта. Таким образом, в полупроводниковых системах на основе GaAs-GaP, которые близки по своим параметрам, на длине d=0,5 мкм осуществляется модуляция ПП с градиентом, имеющим направление вдоль оси x, перпендикулярное плоским контактам 13, с учетом конкретных параметров полупроводников равным 6·10 м. Этот градиент осуществляется за счет градиента статической диэлектрической проницаемости (ДП) полупроводниковой отклоняющей системы, но он постоянен и не может управляться внешним электрическим полем от источника питания 16. За счет этого градиента ПП происходит прямое отклонение ИК луча. Для создания реверсивного хода ИК луча необходимо создать управляемый внешним электрическим полем встречный градиент концентрации электронов. Известно, что на границе двух слоев с разной диэлектрической проницаемостью (ДП) выполняется равенство нормальной составляющей вектора электрического смещения:
1
1
2
2
εE=εЕ,
1, 2
1, 2
где ε - ДП двух разных соседних слоев, Е - напряженности электрического поля в этих слоях.
Согласно вышеприведенному уравнению электроны переходя из области с большей ДП в область с меньшей ДП приобретают большую скорость, а для электронного потока имеет место уравнению непрерывности:
1
1
2
2
nV=nV
1, 2
1, 2
где п - концентрация электронов в первой и второй области, V - скорости электронов в этих областях.
с
Из уравнения непрерывности следует, что в области с большей скоростью концентрация электронов уменьшается и, таким образом, возникает градиент концентрации и группировка электронов. Внешним напряжением U можно управлять этой группировкой, уменьшая или увеличивая градиент концентрации электронов, который влияет на реверсивный ход лазерного луча. Таким образом, наряду с градиентом статической ДП имеется управляемый градиент концентрации электронов. В случае слабого затухания, когда длина волны лазерного излучения λ больше длины волны, соответствующей краю собственного поглощения полупроводников λ, составляющих отклоняющую систему, имеет место вклад свободных электронов в действительную часть показателя преломления согласно формуле:
2
2
2
0
N=ε-ne/mεω
0
19
-3
где ε - статическая ДП, ε - электрическая постоянная, е - заряд электрона, m - эффективная масса электрона, п - концентрация свободных носителей (п=2 10 см), ω - частота, соответствующая длине волны лазерного излучения (λ=10,6 мкм), на которой затухание для системы GaAs-GaP мало. За счет градиента концентрации свободных электронов в полупроводниковой отклоняющей системе при слабом затухании создается управляемый напряжением U градиент ПП. Угол отклонения θ определяется по формуле:
П
θ=l grad N
П
П
где l - длина пути луча лазера в ПОС (l=0,1 мм) по оси у, N - показатель преломления, зависящий от координаты х. Исходя из справочных данных [К.В.Шалимова. Физика полупроводников. М. Энергия, 1976] для системы GaAs-GaP можно оценить общий угол отклонения луча лазера. При расчете использовали среднее значение ε, m, N для неоднородной системы, так как параметры полупроводников входящих в систему очень близки, а дифференциалы от ε по x и от п по x заменили приращением этих величин на длине 0,5 мкм, которая и представляет собой толщину ПОС. Окончательно имеем, что с учетом параметров ПОС системы прямой и реверсивный угол отклонения Θ≈60°.
Ф
М
На первом этапе работы, когда источник напряжения 16 отключен, производится установка ФП с помощью юстировочного столика 15 и регулировка его положения микрометрическим датчиком 4 таким образом, чтобы неотклоненный полупрозрачным зеркалом 7 луч попадал в край фоточувствительной области ФП 3, размер которой l не превосходит величины максимального отклонения ИК луча l в направлении оси х. При попадании луча в фоточувствительную область сопротивление ФП резко падает и это происходит до тех пор, пока луч не достигнет своего максимального отклонения по оси х. При выходе луча из фоточувствительной области сопротивление ФП возрастает и возникает положительный перепад напряжения на сопротивлении нагрузки 18, который передается на коммутационное реле 17, включающее источник напряжения 16. При этом возникает градиент концентрации электронов в ПОС 10, направленный в противоположную сторону градиенту статической ДП, поэтому ИК луч совершает реверсивное отклонение и проходит всю фоточувствительную область в обратном направлении. В результате этого реверса ИК луч выходит из фоточувствительной области ФП и происходит резкое возрастание сопротивления ФП. Этот перепад на сопротивлении нагрузки 18 регистрируется коммутирующим реле 17, которое выключает источник напряжения 16, поэтому градиент концентрации электронов исчезает и ИК луч снова начинает перемещаться в x направлении под действием градиента статической ДП. Таким образом осуществляется работа реверсивного дефлектора ИК излучения, так как один луч, прошедший напрямую по оси у по направлению к ФП, служит для управления развертки луча, а второй луч, отраженный от зеркала, непосредственно используется для сканирования пространства. Механическое колебание полупрозрачного зеркала вокруг оси у позволит расширить диапазон применения этого дефлектора в качестве объемного сканирующего устройства,
Технико-экономические преимущества
Преимущества предлагаемой полезной модели по сравнению с прототипом следующие:
а) предлагаемое устройство обладает реверсом за счет управляемого градиента концентрации электронов.
б) использование полупрозрачного зеркала позволяет разделить ИК луч на два и использовать один для управления разверткой, а другой луч использовать для сканирования пространства, что расширяет функциональные возможности предлагаемого реверсивного дефлектора.