СПОСОБ МОДУЛЯЦИИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF MODULATING OPTICAL RADIATION

Изобретение относится к области оптоэлектроники, в частности к модуляции интенсивности оптического излучения.
Бурное развитие техники высокоскоростного управления интенсивностью света для передачи и обработки информации, топографии, оптических компьютеров, бесконтактных датчиков и др. выдвигает высокие требования к оптически активным материалам. Наиболее высоким быстродействием обладают оптически активнье магнитные материалы, для которых намагничивание может осуществляться за период времени меньший наносекундного диапазона. Эффективность быстродействующего управления направлением распространения и модуляцией света с помощью магнитного поля и магнитооптических эффектов, в том числе с использованием магнитофотонных кристаллов, подтверждена экспериментально (М. Inoue, A. Granovsky, О. Aktsipetrov et al., Magnetophotonic Crystals in Magnetic Nanosctructures, Eds. B. Aktas, L. Tagirov, F. Mikailov, Springer Series in Materials Science (2007), Vol. 94, P. 29).
Известны различные способы модуляции оптического излучения, основанные на различных физических явлениях (Е.Р. Мустель и В.Н. Парыгин, Методы модуляции и сканирования света, М., Наука, 1970; Рандощкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. М.: Энергоатомиздат, 1990; А.Н. Георгобиани. Модуляционная спектроскопия. Соросовский образовательный журнал. 2001, Т.7, №6, С.75-81). Характеристики оптической среды могут меняться под влиянием электрического поля (эффекты Поккельса и Керра), магнитного поля (эффект Фарадея), под действием упругих напряжений (фотоупругость) и т.п.
Использование магнитного поля для управления интенсивностью оптического излучения, реализуется в магнитооптических модуляторах излучения, на основе магнитных диэлектриков и полупроводников. Модуляция света основана на сдвиге края основной полосы оптического поглощения под действием магнитного поля или на эффекте магнитопоглощения. Магнитопоглощение - это изменение под действием магнитного поля коэффициента поглощения неполяризованного (естественного) оптического излучения α в магнетике, например, в магнитном полупроводнике:
H
Δα/α=(α-α)/α,
H
где α - коэффициент поглощения излучения в магнитном поле, α - коэффициент поглощения излучения без магнитного поля.
В технических приложениях обычно используется величина магнитопропускания естественного света:
H
Δt/t=(t-t)/t,
H
где t - пропускание излучения веществом в магнитном поле, t - пропускание излучения веществом без магнитного поля.
2
4
Известен способ модуляции оптического излучения, осуществляемый в модуляторе инфракрасного (ИК) излучения, работающем на эффекте магнитопропускания в магнитном полупроводнике HgCrSe (Н.Н. Лошкарева, Ю.П. Сухоруков, Б.А. Гижевский, А.А. Самохвалов. Модулятор ИК-излучения на магнитном полупроводнике. // Письма в ЖТФ, 1989, Т. 15, вып.17, С.83-86). Недостатками способа являются низкая рабочая температура (Т=120 К), необходимость применения оптических криостатов и особые требования к качеству рабочего элемента из монокристалла. С помощью этого способа модулируется только излучение, прошедшее через оптический элемент, поскольку способ основан на эффекте магнитопропускания ИК-излучения.
0.82
0.12
3
3
C
Известен также способ модуляции оптического излучения, осуществляемый в модуляторе инфракрасного излучения, работающем на эффекте магнитопропускания, в котором в качестве рабочего оптического элемента используется материал, относящийся к классу манганитов с перовскитной структурой - эпитаксиальная пленка LaNaMnO на подложке LaAlO (Ю.П. Сухоруков, Н.Н. Лошкарева, А.В. Телегин, Е.В. Мостовщикова, В.Л. Кузнецов, А.Р. Кауль, О.Ю. Горбенко, Е.А. Ганьшина, А.Н. Виноградов. Модулятор ИК-излучения на эффекте магнитопропускания в манганите лантана, работающий вблизи комнатной температуры. // Письма в ЖТФ. 2003, Т.29, вып.21, С.55). Недостатками этого способа является узкий температурный диапазон модуляции света ΔТ=T±(10-15) К, для обеспечения которого необходима система термостабилизации. Этот способ также позволяет модулировать только оптическое излучение, прошедшее через оптический элемент, т.к. способ основан на эффекте магнитопропускания в ИК-диапазоне спектра.
1-x
x
n
3
Расширение температурной области модулирования ИК-излучения было предложено в способе модуляции инфракрасного излучения, осуществляемом в модуляторе инфракрасного излучения [патент РФ №2346315]. Способ основан на изменении интенсивности пропускаемого излучения под действием управляющего магнитного поля в рабочем оптическом элементе модулятора, расположенном перпендикулярно направлению падающего на его поверхность излучения. Оптический элемент выполнен из n - слоев, где n≥1, манганита ABMO, в котором трехвалентный редкоземельный металл А частично замещен одно- или двухвалентным металлом В со степенью замещения х, обладающем эффектом магнитопропускания света. Этот способ обеспечивает существенное расширение температурной области модулирования ИК-излучения.
Однако в способе управляющее магнитное поле модулирует только инфракрасное излучение, прошедшее через рабочий оптический элемент. При этом, свет подается только перпендикулярно поверхности рабочего оптического элемента, исходя из условий минимальный оптических потерь.
1-x
x
3
Наиболее близким к заявляемому является способ модуляции инфракрасного излучения [патент РФ №2439637], в котором оптическое излучение подают на рабочий оптический элемент, выполненный из n - слоев, где n≥1, манганита АBMnO, в котором трехвалентный редкоземельный металл А частично замещен одно- или двухвалентным металлом В со степенью замещения х под углом от 5 град. до 75 град. между направлением света и перпендикуляром к поверхности рабочего оптического элемента и модулируют магнитным полем, в которое помещен рабочий элемент. Одновременно оба выходных излучения - промодулированное излучение на выходе рабочего оптического элемента и промодулированное оптическое излучение, отраженное от поверхности рабочего оптического элемента, регистрируются детекторами инфракрасного излучения.
Следовательно, подача излучения к поверхности рабочего элемента под углом от 5 град. до 75 град. позволило модулировать как излучение, прошедшее через рабочий оптический элемент, так и излучение, отраженное от поверхности рабочего оптического элемента.
0.7
0.3
3
Таким образом, тонкопленочные манганиты, приготовленные разными способами, например, состава LaCaMnO различной толщиной, с максимумом колоссальное магнитосопротивления вблизи температуры Кюри, обладают гигантским магниторефрактивным эффектом на пропускании и отражении оптического излучения ИК-диапазона.
Эффект связан как с изменением пропускания (магнитопропускание - Δt/t) на выходе рабочего оптического элемента, так и отражения (магнитоотражение - ΔR/R) неполяризованного оптического излучения от поверхности рабочего оптического элемента под действием магнитного поля, что характеризуется выражениями 1 и 2:
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow><mi>t</mi></mfrac><mo>≈</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>ρ</mi></mrow><mi>ρ</mi></mfrac><mi>t</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>R</mi></mrow><mi>R</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>H</mi></msub><mo>−</mo><mi>R</mi></mrow><mi>R</mi></mfrac><mo>≈</mo><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>R</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>ρ</mi></mrow><mi>ρ</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
H
где R и R - коэффициенты отражения оптического излучения в магнитном поле и без магнитного поля, Δρ/ρ - магнитосопротивление.
Способ модуляции основан на изменении величины магнитопропускания и магнитоотражения, достигающей десятков процентов, в широкой области только ИК-диапазона.
В основу изобретения положена задача расширения арсенала способов модуляции оптического излучения за счет возможности модулирования видимого света прошедшего через оптический элемент и отраженного от рабочего оптического элемента.
1-x
x
3
Решение поставленной задачи стало возможно, так как авторами впервые было обнаружено, что при подаче естественного (неполяризованного) видимого света в диапазоне длин волн от 350 до 850 нанометров под углом от 5 до 75 град. между направлением света и перпендикуляром к поверхности рабочего оптического элемента, обладающего эффектом колоссального магнитосопротивления и выполненным из n - слоев (где n≥1) манганита ABMnO, в котором трехвалентный редкоземельный металл А частично замещен одно- или двухвалентным металлом В со степенью замещения х, в данном рабочем оптическом элементе возникает как эффект магнитопропускания, так и эффект магнитоотражения видимого света.
1-x
x
3
Поставленная задача решается тем, что видимое излучение в диапазоне длин волн от 350 до 850 нанометров под углом β от 5 до 75 град. между направлением излучения и перпендикуляром к поверхности рабочего оптического элемента подают на рабочий оптический элемент, выполненный из n - слоев, где n≥1, манганита ABMnO, в котором трехвалентный редкоземельный металл А частично замещен одно- или двухвалентным металлом В со степенью замещения х, и помещенный во внешнее магнитное поле. Изменением управляющего магнитного поля, в которое помещен рабочий оптический элемент, модулируют отраженное от поверхности рабочего оптического элемента видимое излучение и прошедшее видимое излучение на выходе рабочего оптического элемента.
При этом подложку рабочего оптического элемента выполняют из материала, прозрачного для видимого излучения.
Кроме того, вектор напряженности магнитного поля, в которое помещен рабочий оптический элемент, может быть направлен под углом от 0 до 360 град. к поверхности рабочего оптического элемента.
0.7
0.3
3
Как было установлено авторами изобретения, тонкопленочные манганиты, приготовленные разными способами, например, состава LaСаMnO различной толщиной с максимумом колоссального магнитосопротивления вблизи температуры Кюри, обладают гигантскими эффектами магнитопропускания и магнитоотражения неполяризованного видимого света в широкой области температур. Эффект связан как с изменением пропускания (магнитопропускание - Δt/t) на выходе рабочего оптического элемента, так и отражения (магнитоотражение - ΔR/R) естественного видимого света от поверхности рабочего оптического элемента под действием внешнего магнитного поля. При этом если в ИК-области спектра МРЭ определяется высокочастотным откликом на магнитосопротивление, то в видимой области спектра магнитопропускание и магнитоотражение связаны с изменением электронной структуры манганитов под действием магнитного поля, приводящем к изменению вероятности межзонных оптических переходов, интенсивности полос поглощения и смещению полос поглощения света. В конечном итоге, спектральные зависимости магнитопропускания и магнитоотражения света в видимой области спектра указывают на то, что изменяется не только плотность электронных состояний, но происходит и смещение резонансно-подобных полос поглощения света. Таким образом, эффекты на отражении и пропускании видимого неполяризованного света в манганитах имеет иную физическую природу го сравнению с магниторефрактивным эффектом на отражении и пропускании ИК-излучения в манганитах. Величины магнитопропускания и магнитоотражения видимого света меньше, чем в ИК-области спектра, но в несколько раз превышают линейные магнитооптические эффекты в поляризованном свете в видимом диапазоне спектра. Кроме того, гигантские величины эффектов в неполяризованном свете позволяют исключить анализаторы и поляризаторы света из оптической схемы, что является дополнительным преимуществом данного способа модуляции видимого света.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 представлена блок-схема способа магнитной модуляции видимого света, отраженного и прошедшего через рабочий оптический элемент;
на фиг.2 представлена спектральная зависимость магнитопропускания и магнитоотражения света при температурах максимальных значений эффектов:
0.7
0.3
3
0.9
0.1
3
a) магнитоотражение видимого света в магнитном поле величиной 11 кЭ перпендикулярном поверхности пленок состава LaСаMnO, толщиной 50 и 320 нм, пленки LaAgMnO толщиной 450 нм;
0.7
0.3
3
b) магнитопропускание видимого света в магнитном поле величиной 2,8 кЭ параллельном поверхности пленок состава LaСаMnO толщиной 150 нм;
0.7
0.3
3
на фиг.3 представлена температурная зависимость магнитоотражения видимого света при длинах волн максимального значения эффекта в магнитном поле перпендикулярном поверхности пленок состава LaСаMnO толщиной 320 нм.
0.7
0.3
3
3
0.9
0.1
3
3
0.7
0.3
3
Величины магнитопропускания и магнитоотражения достигают 2-4 процентов в спектральной области от 350 до 850 нанометров. Например, как видно из фиг.2, магнитоотражение рабочего оптического элемента из пленки LaСаMnO толщиной 50 нм и 320 нм на прозрачной в видимом диапазоне света подложке LaAlO достигает 1-2 процента, а для пленки LaAgMnO толщиной 450 нм на прозрачной в видимом диапазоне света подложке SrTiO магнитоотражение достигает рекордной величины 3 5 процента в диапазоне длин волн от 350 до 850 нм. Магнитопропускание при этом для пленки LaСаMnO толщиной 150 нм достигает 2 процентов в диапазоне длин волн от 400 до 850 нм, что в итоге существенно расширяет рабочую спектральную область Эффекты магнитопропускания и магнитоотражения практически не зависят от температуры (фиг.3), являются четными по полю, слабо изменяются по величине в зависимости от геометрии приложения магнитного поля, не имеют гистерезиса и насыщения в магнитных полях до 11 кЭ.
Слабая зависимость магнитоотражения видимого света от температуры и слабое изменение величины эффекта от геометрии приложения магнитного поля дополнительно расширяет функциональные возможности предложенного способа модуляции за счет упрощения системы термостабилизации и упрощения конструкции источника магнитного поля. В то же время использование n=1 слоев манганита дает выигрыш в интенсивности прошедшего излучения и упрощает задачу получения оптических элементов на основе тонкопленочных манганитов.
Диапазон угла подачи света от 5 до 75 град. между направлением света и перпендикуляром к поверхности рабочего элемента был выбран исходя из условия минимального угла падения света 5 град, при котором можно регистрировать как отраженный, так и максимальную интенсивность прошедшего через рабочий оптический элемент света, и максимального угла падения света 75 град. близкого углу "Брюстера", при котором можно регистрировать как максимальную интенсивность отраженного света, так и слабый, прошедший через рабочий оптический элемент видимый свет.
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает модулирование управляющим магнитным полем как отраженного от рабочего оптического элемента видимого света, так и прошедшего через него видимого света, тем самым расширяет арсенал способов модуляции оптического излучения.
Способ осуществляют следующим образом.
3
0.7
0.3
3
0.7
0.3
3
Неполяризованный видимый свет 1 подают на поверхность рабочего оптического элемента 2, например, под углом β=7 град. между направлением света и перпендикуляром к поверхности рабочего оптического элемента 2, состоящего из немагнитной прозрачной подложки 3 LaAlO толщиной 460 мкм и слоя 4 манганита, например, LaСаMnO толщиной 320 нм или 50 нм, обладающего температурой Кюри 265 К. Рабочий оптический элемент 2 помещают в источник переменного магнитного поля 5, например, катушку с магнитным сердечником (N=300 А/витков). Магнитное поле Н прикладывается перпендикулярно, параллельно или под углом относительно поверхности рабочего оптического элемента 2 (фиг.1). Видимый свет модулируется в рабочем оптическом элементе 2 под действием магнитного поля с частотой ω. Модуляция осуществляется как за счет изменения соотношения объемов ферромагнитной высокопроводящей и неферромагнитной слабопроводящей фаз в слоях манганита, так и за счет изменения плотности электронных состояний, изменения ширины зоны, смещения зон относительно друг друга под действием переменного магнитного поля, приводящего к возникновению в манганите эффектов магнитопропускания и магнитоотражения видимого света. Часть модулированного света проходит через рабочий оптический элемент 2 - выходное модулированное прошедшее видимое оптическое излучение 6, другая часть модулированного света отражается от его поверхности - выходное модулированное отраженное видимое оптическое излучение 7. Соотношение прошедшей и отраженной от рабочего оптического элемента 2 частей света регулируется толщиной рабочего оптического элемента 2 и величиной угла подачи света на его поверхность. Частота модулированного света равна удвоенной частоте 2 си магнитного поля. Величина рабочего температурного диапазона модулирования света определяется температурным интервалом существования эффектов. Например, для пленок состава LaСаMnO с количеством слоев n=1 эффект магнитоотражения видимого света наблюдается в широком интервале 10 К<Т<310 К, что снижает требования к термостабилизации устройства, дает выигрыш в интенсивности прошедшего излучения и упрощает задачу получения оптических элементов на основе тонкопленочных манганитов.
0.7
0.3
3
Интенсивности света прошедшего через рабочий оптический элемент и отраженного от него пропорциональны величине приложенного магнитного поля и регистрируются фотоприемными элементами, например, такими как ФЭУ-52, PbS или Si-фотоприемники. Спектральный диапазон в длинах волн модулированного видимого света, прошедшего через рабочий оптический элемент, составляет 400-850 нм. Спектральные диапазоны модулированного видимого света, отраженного от поверхности рабочего оптического элемента, составляют 350-850 нм для пленки LaСаMnO толщиной 320 нм фиг.2).
Проведенные лабораторные испытания предлагаемого способа подтвердили его работоспособность и достижение технического результата - модуляции переменным магнитным полем интенсивности видимого света проходящего через рабочий оптический элемент и отраженного от поверхности рабочего оптического элемента.
Заявляемый способ обеспечивает расширение арсенала способов модуляции оптического излучения за счет модуляции видимого света.