ДЕФЛЕКТОР ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ УСИЛИВАЮЩЕГО ТИПА

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам, позволяющим отклонять и усиливать инфракрасное (ИК) излучение и может найти применение 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) с микрометрическим датчиком и измерительным блоком, фокусирующую систему, криостат, заполненный хладогентом, с входным и выходным диэлектрическим окном и с полупроводниковой отклоняющей системой (ПОС), к которой подключен источник питания
Недостатком этого устройства являются: невозможность усиление луча дефлектора, что исключает возможность применения дефлектора в качестве локационного устройства повышенной мощности.
c
ф
ф
2
1
2
1
Технической задачей полезной модели является создание устройства способного отклонять и усиливать ИК луч. Техническая задача достигается тем, что дефлектор инфракрасного (ИК) излучения, содержащий источник ИК излучения с модулятором, фотоприемник с микрометрическим датчиком и измерительным блоком, установленными позади выходного диэлектрического окна, и фокусирующую систему, которая установлена впереди входного диэлектрического окна криостата и полупроводниковой отклоняющей системы (ПОС) с 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, 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 к основному источнику установлен перед входным диэлектрическим окном еще один источник ИК излучения с той же длиной волны и фокусирующей системой, что и у основного источника, под тем же углом α к центральной оси симметрии, совпадающей с выходящим из ПОС усиленным лучом, что и угол, образованный лучом основного источника с данной осью, также перед входным диэлектрическим окном установлен модулятор, обеспечивающий синхронную модуляцию обоих ИК лучей, которые предварительно проходят через установленные за источниками поляризаторы, а после прохождения ПОС, которая выполнена в виде двух симметричных областей, разделенных центральным плоским контактом, совпадающим с осью симметрии, градиент показателя преломления плоских полупроводниковых слоев двух симметричных областей направлен в противоположные стороны от центрального контакта, подключенного с реостатом к источнику питания, падают на фотопроводник (ФП) выполненный так, что размеры его фоточувствительной области не значительно превосходят диаметр выходящего из ПОС усиленного ИК луча, кроме того перед дополнительным источником ИК излучения установлен микрометрический винт с датчиком, с помощью которого выполняется условие интерференционного максимума: d-d=кλ, где d и d расстояния от источников излучения до входного диэлектрического окна, а к - целое число.
2
1
2
1
Отличие предлагаемой полезной модели от прототипа состоит в том то, что дополнительно к основному источнику установлен перед входным диэлектрическим окном еще один источник ИК излучения с той же длиной волны и фокусирующей системой, что и у основного источника, под тем же углом α к центральной оси симметрии, совпадающей с выходящим из ПОС усиленным лучом, что и угол, образованный лучом основного источника с данной осью, также перед входным диэлектрическим окном установлен модулятор, обеспечивающий синхронную модуляцию обоих ИК лучей, которые предварительно проходят через установленные за источниками поляризаторы, а после прохождения ПОС, которая выполнена в виде двух симметричных областей, разделенных центральным плоским контактом, совпадающим с осью симметрии, градиент показателя преломления плоских полупроводниковых слоев двух симметричных областей направлен в противоположные стороны от центрального контакта, подключенного с реостатом к источнику питания, падают на фотопроводник (ФП) выполненный так, что размеры его фоточувствительной области не значительно превосходят диаметр выходящего из ПОС усиленного ИК луча, кроме того перед дополнительным источником ИК излучения установлен микрометрический винт с датчиком, с помощью которого выполняется условие интерференционного максимума: d-d=кλ, где d и d расстояния от источников излучения до входного диэлектрического окна, а к - целое число.
На фигуре изображена схема дефлектора ИК излучения усиливающего типа.
с
ф
ф
2
1
2
1
Устройство состоит из следующих элементов: источника ИК излучения 1 с фокусирующей системой 2,, фотоприемника 3 с микрометрическим датчиком 4 и измерительным блоком 5, установленными позади выходного диэлектрического окна 6, и модулятором 7, который установлен впереди входного диэлектрического окна 8 так, что совпадает ось симметрии входного и выходного диэлектрического окна и ПОС с двумя плоскими контактами 9, 10, установленными внутри криостата 11 заполненного хладогентом 12, причем что криостат выполнен в виде полого корпуса, на дне которого установлен держатель 13, 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 14 с напряжением U, удовлетворяющим условию eU<Е, где е-заряд электрона, Е-энергия фонона, кроме того, на дне корпуса выполнено выходное диэлектрическое окно 6, диаметр которого превышает диаметр ИК луча, прошедшего через ПОС, а входное диэлектрическое окно 8 выполнено в верхней стенке криостата съемным так, что его диаметр был не меньше диаметра ИК луча, прошедшего через фокусирующую систему 2. В предлагаемой модели дополнительно к основному источнику установлен перед входным диэлектрическим окном еще один источник ИК излучения 15 с той же длиной волны и фокусирующей системой 16, что и у основного источника, под тем же углом а к центральной оси симметрии, совпадающей с выходящим из ПОС усиленным лучом, что и угол, образованный лучом основного источника с данной осью, модулятор 7 установлен так, что обеспечивает синхронную модуляцию обоих ИК лучей, которые предварительно проходят через установленные за источниками поляризаторы 17, 18, а после прохождения ПОС, которая выполнена в виде двух симметричных областей 19, 20, разделенных центральным плоским контактом 21, совпадающим с осью симметрии, градиент показателя преломления плоских полупроводниковых слоев двух симметричных областей направлен в противоположные стороны от центрального контакта, подключенного с реостатом 22 к источнику питания 23, падают на фотопроводник ФП выполненный так, что размеры его фоточувствительной области не значительно превосходят диаметр выходящего из ПОС усиленного ИК луча, кроме того перед дополнительным источником ИК излучения 14 установлен микрометрический винт с датчиком 23, с помощью которого выполняется условие интерференционного максимума: d-d=кλ, где d и d расстояния от источников излучения до входного диэлектрического окна, а к - целое число.
Принцип работы предлагаемой полезной модели.
2
1
2
1
ф
ф
ф
Предлагаемая полезная модель содержит два источника ИК излучения 1 и 15, лучи от которых проходят через поляризаторы 17, 18, обеспечивающие одинаковую направленность плоскости поляризации данных лучей, так как в противном случае невозможно осуществит усиление на выходе ПОС, фокусируются системами 2 и 16, синхронно модулируются модулятором 7 с частотой модуляции 1 кГц и попадают через входное диэлектрическое окно 8 в криостат 11 заполненного хладогентом 12 в ПОС, выполненную в виде двух симметричных областей 19, 20 из полупроводниковых слоев, градиент показателя преломления которых направлен в противоположные стороны от центрального плоского контакта 21 к двум крайним плоским контактам 9, 10, что обеспечивает одинаковые условия для отклонения ИК лучей в ПОС к центральному плоскому контакту 21, совпадающему с осью симметрии. Для того, чтобы на выходе из ПОС амплитуды лучей складывались т.е. усиливались, необходимо с помощью микрометрического винта с датчиком 23 добиться выполнения условия интерференционного максимума d-d=кλ, где d и d - расстояния от источников до входного диэлектрического окна, а к - целое число. Механизм отклонения ИК лучей дефлектором подробно описан в прототипе. Отличие от прототипа заключается в том, в предлагаемой полезной модели используется принцип обратимости хода оптических лучей, т.е. в данном случае источники ИК лучей заранее разводятся на определенный угол α, на который отклоняет каждая из симметричных областей 19, 20. С помощью реостата 22 от источника питания 14 на плоские контакты 9, 10 ПОС подается определенное напряжение U, которое удовлетворяет условию eU<Е, где е - заря электрона, Е - энергия фотона, и обеспечивает определенный градиент концентрации электронов в полупроводниковых слоях, что позволяет отклонять ИК лучи на определенны угол. α. ФП 3 с микрометрическим винтом 4 используется для точного наведения вышедшего из ПОС усиленного ИК луча и определения его мощности измерительным блоком 5. Технология получения полупроводниковых отклоняющих систем 19, 20 связана с методом молекулярно-лучевой эпитаксии и фотолитографии на основе соединений GaAs-GaP и их твердых растворов. Свои классические электродинамические свойства они проявляют в условиях, когда реализуется при температуре хладогента 12 (77К) в криостате 11 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 (77К) сильно возрастает. Важным условием выполнения БРПЭ является малоэнергетический режим пролета электрона, который реализуется при условии eU<Е. 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 двух симметричных областях 19, 20 на основе GaAs-GaP, осуществляется изменение показателя преломления с градиентом, имеющим направление от центрального плоского контакта 21 к крайним плоским контактам 9, 10.. Этот градиент осуществляется за счет градиента статической диэлектрической проницаемости и за счет управляемого внешним электрическим полем градиента 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. 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/mε ω
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 α определяется по формуле:
α=lпgradN
где lп - длина пути луча лазера в ПОС (lп=0,1 мм) по центральной оси y, N - показатель преломления, зависящий от координаты x. 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 угол отклонения α≈60°.
На первом этапе работы производится установка ФП 3 и регулировка его положения микрометрическим датчиком 4 таким образом, чтобы усиленный ИК луч попадал в фоточувствительную области ФП, размер которой незначительно превосходит диаметр выходящего из ПОС усиленного ИК луча. В результате выполнения всех необходимых условий осуществляется сложение амплитуд прошедших через ПОС лучей и на выходе получается луч, усиленный по мощности, величина которой зависит от мощностей обоих лучей, от рассеивания на границах полупроводниковых слоев, от качества самих слоев и их контактов, от тщательной юстировки и т.д. Максимальное значение выходной мощности стремится к суммарному значению мощностей каждого источника, но в любом случае эта мощность больше, чем мощность самого мощного из двух источников.
Технико-экономические преимущества
Преимущества предлагаемой полезной модели по сравнению с прототипом заключается в создании дефлектора ИК излучения: усиливающего типа, что расширяет функциональные возможности дефлектора.