Поляритонное устройство для измерения градиента температуры

Полезная модель относится к устройствам для измерения температуры, а именно к оптическим интерференционным устройствам для измерения температуры, и может быть использована для измерения градиента температуры, а также иных физических величин, измерение которых сводится к измерению этого градиента, с пространственным разрешением, не превышающим десятых долей миллиметра, для таких областей применения, как оптические вычисления, микроэлектроника и научные исследования.
Известно устройство[1], представляющее собой волоконно-оптическое устройство, включающее в себя вводный волновод, два оптических волновода, одного сигнального, а другого опорного, и выводного волновода. Известное устройство позволяет определять изменения температуры и детектировать внешнее электромагнитное излучение через нагрев в одном из каналов относительно другого посредством наблюдения сдвига интерференционных полос в выводном волноводе. Чувствительность определяется длиной плеч интерферометра, что ограничивает минимальный размер устройства не менее чем несколькими сантиметрами.
Известен волоконно-оптический термометр [2], состоящий из оптического волновода, один конец которого соединен с источником света, а на другой конец нанесено металлическое зеркало. Также внутри волновода помещены полупрозрачные зеркала, ограничивающие область, чувствительную к изменению температуры. Нагрев этой области, представляющей собой интерферометр Фабри-Перо, приводит к изменению ее оптической длины и, тем самым, коэффициента отражения и пропускания. Чувствительность определяется длиной волновода, расположенной между полупрозрачными зеркалами, что также ограничивает минимальный размер устройства не менее чем несколькими сантиметрами.
Техническим решением, наиболее близким к заявленному устройству, является устройство для точного детектирования изменений температуры и давления [3], принятое в качестве прототипа. Устройство состоит из волоконно-оптического интерферометра Маха-Зендера, которое включает в себя источник оптического излучения, соединенного с вводным оптическим волноводом, двух каналов сигнального и опорного, и выводного оптического волновода. Интенсивность детектируемого оптического излучения, выходящего из выходного волновода, определяется взаимной фазой света, прошедшего через сигнальный и опорный каналы. Изменение температуры или механического давления в сигнальном канале, приводит к изменению фазы света, выходящего из сигнального канала по отношению к фазе света, прошедшего через опорный канал. Изменение взаимной фазы детектируется, как изменение интенсивности детектируемого излучения, выходящего из выходного оптического волновода. Общим у известного устройства и заявляемой полезной модели является то, что они представляют собой интерферометр Маха-Зендера, в котором изменение температуры в одном из плечей из-за физического эффекта температурного расширения и изменения показателя преломления приводит к изменению выходной интенсивности излучения. В качестве областей применения системы указываются области, в которых применение иных средств измерения температуры затруднены из-за наличия неблагоприятного химического или электромагнитного окружения.
Основным недостатком прототипа является его малое пространственное разрешение определения градиента температуры, ограниченное минимум несколькими сантиметрами, что не позволяет использовать его в микроэлектронике, нанофотонике и оптических вычислениях.
Заявленная полезная модель свободна от указанных выше недостатков, и ее технический результат состоит в увеличении пространственного разрешения определения градиента температуры.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявленной полезной модели используется физический эффект изменения ширины запрещенной зоны полупроводникового кристалла, причем проявление этого явления усилено благодаря использованию полупроводниковой наноструктуры.
Сущность заявленной полезной модели иллюстрируется Фиг.
с
с
QW
с
QW
с
с
o
o
с
с
o
с
QW
c
с
QW
2
2
Схема заявленного устройства пояснена на Фиг. Устройство, выполнено в виде двух волноводов, один из которых является сигнальным (1), а другой является опорным (2), оба волновода по обеим концам объединены общими входным (3) и выходным (4) оптическими волноводами, отличающееся тем, что волноводы выполнены из трехслойной наноструктуры, верхний (5) и нижний (6) слои которой выполнены в виде распределенных Брэгговских отражателей (РБО), между которыми расположен слой с квантовыми ямами (7). Слой (7) имеет толщину L=N/2 λ/n, где N - целое число, n - эффективный показатель преломления материала из которого сделан слой с квантовыми ямами, λ - длина волны света. Для света с такой длиной волны выполняются условия стоячей электромагнитной волны, локализованной между распределенными Брэгговскими отражателями. Параметры квантовых ям (ширина и состав) подбираются такими, чтобы энергия экситонного оптического перехода, E, в них равнялась энергии фотонов, Е, стоячей электромагнитной волны, E =Е=hc/λ, где h - постоянная планка, с - скорость света. В условиях резонанса экситонного перехода и стоячей электромагнитной волны сильное светоэкситонное взаимодействие приводит к перенормировке состояний и образованию гибридных возбуждений, называемых экситонными поляритонами. Фазовый набег для поляритонной волны, распространяющейся по опорному волноводу при температуре волновода Т, и имеющему длину L, определяется выражением ϕ=2πL/λ, а фазовый набег поляритонной волны, распространяющейся по сигнальному волноводу, и имеющему длину L, при температуре Т, ϕ=2πL(λ+δλ), где λ и λ+δλ - длины поляритонных волн, распространяющихся в опорном и сигнальном волноводах соответственно. Разность фаз между поляритонными волнами, распространяющимися из входного волновода к выходному, но прошедших через опорный и сигнальный волноводы, Δϕ ≈ 2πL(δλ)λ=2πL(αΔТ)/λ, где ΔТ=Т- Т - разность температур опорного и сигнального волноводов, а α - коэффициент пропорциональности изменения длины поляритонной волны при изменении температуры. При этом длина поляритонной волны зависит от множества параметров, но в главную очередь от отстройки энергии δ(T)= E(T)-E, где энергия стоячей световой волны Епрактически не зависит от температуры, тогда как энергия экситонного оптического перехода E существенно зависит от температуры, и тем самым изменяет значение отстройки δ(T) и длину поляритонной волны. Реальные значения величин λ и α зависят от конкретной реализации устройства и должны быть определены экспериментально при калибровке устройства.
0
2
-3
Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом. На устройство из верхнего полупространства на оптический вход падает оптическое излучение. Это излучение, попадая в оптический вход, возбуждает поляритонные волны. Поляритонные волны распространяясь далее по устройству в сторону оптического выхода, проходят через опорный и сигнальные волноводы и интерферируют в выходном волноводе. В результате интерференции поляритонных волн, интенсивность оптического излучения, выходящего из выходного волновода зависит от разницы температур ΔТ опорного и сигнального волноводов I=Icos(2πLαΔТ)/λ), т.е. при изменении значения градиента температуры интенсивность выходного излучения будет осциллировать. Причем для устройства, опорный и сигнальный волноводы которого выполнены в виде полуколец радиуса 50 мкм, и имеющего типичные параметры длины поляритонной волны λ=5 мкм и α=1 мкм/К период осцилляции будет соответствовать изменению температуры на 6,8К. В реальных условиях удается определить изменение интенсивности, составляющее 10 от максимального, что позволяет оценить чувствительность к изменению температуры как 0,0068 К. Такая чувствительность определения абсолютного значения разности температур соответствует заявленной в прототипе. При этом предлагаемое устройство позволяет определять разницу температур для двух областей пространства удаленных друг от друга на 100 мкм.
Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени, что иллюстрируется примерами, представленными ниже. В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: было достигнуто высокое пространственное разрешение определении градиента температуры, составляющее 100 мкм.
Пример 1.
0.15
0.85
0.15
0.85
с
с
0.15
Было апробировано устройство, выполненное из полупроводниковой наноструктуры, выращенной методом молекулярно-пучковой эпитаксии на подложке GaAs. Нижний распределенный Брэгговский отражатель был выполнен из 35 чередующихся пар слоев AlAs/AlGaAs, верхний распределенный Брэгговский отражатель был выполнен из 32 чередующихся пар слоев AlAs/AlGaAs. Толщина слоя с квантовыми ямами, расположенного между распределенными Брэгговскими отражателями, была выбрана 5/2*λ/n, где λ=808 нм, а n=3,6215. Между распределенными Брэгговскими отражателями в пучностях стоячей электромагнитной волны было помещено 12 квантовых ям AlGaAs/GaAs шириной 10 нм. Энергия экситонных оптических переходов квантовых ям для используемой при апробации температуры 10К составляла 1,5335 эВ и совпадала с энергией фотонов стоячей электромагнитной волны. Для не резонансного возбуждения поляритонных волн во входном волноводе использовалось лазерное излучение с энергией фотонов 1,635 эВ (длина волны 750 нм). Методом вертикального химического травления из описанной выше наноструктуры было изготовлено устройство форма которого, указана на Фигуре. При этом входной и выводной волноводы имели ширину 20 мкм, а длину 40 мкм, а сигнальный и опорный волноводы были выполены в виде полуколец с внешним радиусом 60 мкм и внутренним радиусом 40 мкм, так что радиус центральной части полуколец составлял 50 мкм. Устройство было приклеено к пластине GaAs толщиной 400 мкм, шириной 10 мм и длиной 5 мм, градиент температуры которой определялся при апробации. Градиент температуры пластины GaAs создавался при помощи дополнительного лазерного луча с энергией фотонов 2,33 эВ (532 нм), который был сфокусирован в пятно диаметром 20 мкм вблизи сигнального волновода и нагревал облучаемую область в результате поглощения лазерного излучения. При изменении мощности нагревающего лазерного луча было зарегистрировано изменение интенсивности излучения, выходящего из выходного волновода, что явно демонстрирует возможность определения градиента температуры с пространственным разрешением 100 мкм при помощи заявленного поляритонного устройства, ширина которого составляла 120 мкм и длина 180 мкм. Как показывают результаты испытаний, заявленное устройство позволяет зарегистрировать градиент температуры с увеличенным пространственным разрешением в десятки и/или сотни микрон.
Пример 2.
-2
Для апробации температурной чувствительности и демонстрации того, что заявленная полезная модель имеет схожую температурную чувствительность с прототипом, но со значительно большим пространственным разрешением, была проведена температурная калибровка. Для калибровки методом вертикального химического травления из той же наноструктуры было изготовлено калибровочное устройство, выполненное в виде прямоугольника шириной 20 мкм и длиной 300 мкм. При облучении левого края калибровочного устройства сфокусированным лазерным лучом создавались поляритонные волны, которые распространялись по калибровочному устройству к его правому краю. Достигнув правого края устройства, поляритонные волны отражались от него и распространялись обратно к левому. В результате в калибровочном устройстве наблюдались интерференционные полосы, возникающие при интерференции поляритонных волн распространяющихся в различных направлениях. При этом пространственный период интерференционных полос равняется длине поляритонной волны λ. Калибровка, апробируемого устройства сводилась к определению температурной зависимости длины поляритонной волны λ(Т), и нахождению коэффициента пропорциональности изменения длины поляритонной волны при изменении температуры α. Для апробируемого устройства результаты калибровки дали значение λ=4 мкм для Т=10K, а α=1,1 мкм/К. Для таких параметров чувствительность 10К.
-2
Как показали примеры апробации заявленной полезной модели, представленные выше, технико-экономическая эффективность ее состоит в том, что предлагается устройство, позволяющее детектировать градиент температуры с точностью 10 К в областях пространства размером в десятые доли миллиметра за счет использования полупроводниковой наноструктуры. Такое увеличение пространственного разрешения измерения градиента температуры позволяет проводить прецизионные измерения и осуществлять эффективное использование устройства в ранее недоступных областях, таких как микроэлектроника, нанофотоника и оптические вычисления.
Список использованной литературы:
1. Mark L. Wilson; Vadnais Height; // Traveling wave fiber optic interferometric sensor and method of polarization poling fiber optic // Патент США US 004929050, 29.05.1990.
2. Charles M. Davis; // Fiber optic interferometric thermometer // Патент США US 004868381, 19.09.1989.
3. Victor Vail; David B. Chang; Patrick C. Brownigg; // System for accurately detecting changes in temperature and pressure // Патент США
US US 005270538 A, 14.12.1993.// (Прототип)