Импульсный терагерцовый спектрометр с полупроводниковым генератором на эффекте модуляции приповерхностного поля
PULSED TERAHERTZ SPECTROMETER WITH A SEMICONDUCTOR OSCILLATOR BASED ON THE EFFECT OF SURFACE FIELD MODULATION

Техническое решение относится к области приборостроения, а именно, к приборам для терагерцовой спектроскопии, в частности, к спектрометрам, в которых детектируется изменение напряженности поля во времени в субпикосекундном масштабе, и может быть использовано при регистрации отклика исследуемой среды или материала на импульсное воздействие электромагнитного излучения длительностью порядка единиц пикосекунд, с вычислением спектра функции отклика путем применения к ней преобразования Фурье.
Терагерцовые спектрометры известны и являются коммерчески доступными приборами. Область их применения включает в себя исследования свойств веществ и материалов в терагерцовой области электромагнитного спектра. Необходимыми критериями для исследования прозрачных и сильно поглощающих материалов являются достаточность динамического диапазона и отношение сигнал/шум. Для использования спектрометра специалистами разного профиля непосредственно на их рабочих местах актуально уменьшение габаритов устройства.
Известно техническое решение, используемое в аппаратно-программном комплексе Tera K15 компании «Menlo Systems», Германия (https://www.menlosystems.com/products/thz-time-domain-solutions/terak15-terahertz-spectrometer/). Комплекс оснащен следующими модулями: импульсный волоконный лазер, управляющий модуль, компьютер с обслуживающим программным обеспечением и оптический модуль. Основной составной частью комплекса Tera K15 является терагерцовый спектрометр на базе фемтосекундного волоконного лазера с длиной волны излучения 1560 мкм с опциональной возможностью перестройки на длину волны 780 нм. Tera K15 функционирует в полосе от 0,1 до 6 ТГц. Динамический диапазон достигает 100 дБ.
Недостатком известного технического решения является то, что блок генерации выполнен с использованием фотопроводящей антенны. Фотопроводящая антенна является сложной и дорогой в производстве функциональной частью. Режим работы антенны не позволяет значительно увеличить мощность импульсного излучения волоконного лазера для увеличения мощности терагерцового излучения, так как это приведет к пробою и выходу антенны из строя. Еще один недостаток данного комплекса заключается в том, что регистрацию терагерцового излучения осуществляют с помощью фотопроводящей антенны, что приводит к ухудшению отношения сигнал/шум.
Известен терагерцовый спектрометр, раскрытый в описании к патенту РФ № 105738 на полезную модель «Малогабаритный терагерцовый спектрометр». Терагерцовый спектрометр содержит: импульсный волоконный лазер, светоделительный элемент, блок генерации, блок регистрации, систему транспорта терагерцового излучения, блок оптической линии задержки, модулятор, блок управления линией задержки, блок сканирования, блок обработки, блок хранения информации. Спектрометр работает в полосе от 0,2 до 3 ТГц, динамический диапазон амплитуды терагерцового спектра достигает 400.
Недостатком данного спектрометра является наличие элемента модуляции, представленного акустооптическим модулятором, что обуславливает обратную связь с лазерным компонентом системы, и это приводит к ухудшению отношения сигнал/шум. Кроме того, данный спектрометр имеет слабую генерацию в области высоких частот. Это связано с тем, что в качестве генерирующего элемента используется полупроводниковый кристалл с системой магнитов, где основной вклад в генерацию терагерцового излучения достигается за счет фотоэффекта Дембера, определяющего генерацию в низкочастотном диапазоне. Эффекты, отвечающие за генерацию в области высоких частот, такие как эффекты приповерхностного поля, подавляются и не оказывают значительного влияния на эффективность генерации терагерцового излучения.
Усилия разработчиков предлагаемого к правовой охране спектрометра направлены на решение задачи создания импульсного терагерцового спектрометра с улучшенными рабочими характеристиками – повышенной мощностью терагерцового излучения, обеспечением возможности использования генерации терагерцового излучения в высокочастотном диапазоне, реализации возможности исследования вклада различных механизмов в генерацию терагерцового излучения за счет разделения эффектов приповерхностного поля с помощью модуляции последнего, а также реализации возможности исследования свойства материала в терагерцовом диапазоне.
Технический результат заключается в разделении механизмов, привносящих вклад в генерацию терагерцового излучения, в частности эффектов, зависящих от приповерхностного поля и не зависящих от последнего, а также в обеспечении генерации терагерцового излучения в высокочастотном диапазоне. Кроме того, достигается увеличение соотношения сигнал/шум, реализуется возможность генерации терагерцового излучения в широком диапазоне длин волн лазерного излучения от 750 до 1600 нм и расширение спектрального диапазона в высокочастотную область спектра.
Технический результат достигается в импульсном терагерцовом спектрометре с полупроводниковым генератором на эффекте модуляции приповерхностного поля, содержащем импульсный лазер, светоделительный элемент, блок генерации, блок оптической линии задержки, систему транспорта терагерцового излучения, блок регистрации, при этом импульсный лазер оптически связан со светоделительным элементом, разделяющим пучок лазерного излучения на два пучка с подачей одного пучка в блок генерации, а второго пучка в блок оптической линии задержки, блок генерации оптически связан с системой транспорта терагерцового излучения, блок регистрации оптически связан с управляемым блоком оптической линии задержки и системой транспорта терагерцового излучения. Причем блок генерации выполнен в виде структуры металл-диэлектрик-полупроводник, обеспечивающей возможность модулирования напряженности приповерхностного поля. Кроме того, блок регистрации выполнен с возможностью регистрации напряженности терагерцового электромагнитного поля.
В спектрометре блок регистрации, выполненный с возможностью регистрации напряженности терагерцового электромагнитного поля, реализован в составе последовательно оптически связанных электрооптического кристалла, четвертьволновой пластинки, поляризационного элемента, фотоприемного блока, электрически последовательно связанного с дифференциальным усилителем и синхронным детектором.
В спектрометре в структуре металл-диэлектрик-полупроводник полупроводниковый материал реализован в виде соединения элемента группы III таблицы Менделеева и элемента группы V таблицы Менделеева, диэлектрический материал реализован в виде соединения элемента группы III и группы VI таблицы Менделеева и в виде соединения элемента группы V и группы VI таблицы Менделеева, металлический материал реализован в составе элемента группы III таблицы Менделеева, элемента группы IV таблицы Менделеева и элемента группы VI таблицы Менделеева, при этом указанная структура снабжена электродами, один электрод электрически соединен с полупроводником, второй электрод электрически соединен с металлом.
В спектрометре при длине волны импульсного лазера, лежащей в диапазоне 750-850 нм, в полупроводниковом материале в качестве элемента группы III таблицы Менделеева взят In, а в качестве элемента группы V таблицы Менделеева – As, в диэлектрическом материале в качестве элемента группы III таблицы Менделеева взят In, в качестве элемента группы V таблицы Менделеева взят As, а в качестве элемента группы VI таблицы Менделеева – O, в металлическом материале в качестве элемента группы III таблицы Менделеева взят In, в качестве элемента группы IV таблицы Менделеева взят Sn, а в качестве элемента группы VI таблицы Менделеева взят O.
В спектрометре при длине волны импульсного лазера, лежащей в диапазоне 750-850 нм, электрооптический кристалл выполнен в виде кристалла теллурида цинка - ZnTe, в блоке регистрации поляризационный элемент выполнен в виде призмы Волластона, а фотоприемный блок выполнен в виде двух фотоприемников, реализованных на базе кремниевых Si фотодиодов.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.
Главным отличием предлагаемого решения является реализация импульсного терагерцового спектрометра с полупроводниковым генератором, обеспечивающим эффект модуляции приповерхностного поля.
В число эффектов, привносящих вклад в генерацию терагерцового импульса в высокочастной области спектра, зависящих от приповерхностного поля и возникающих в приповерхностном слое полупроводника на глубине порядка десятка нанометров, входят, во-первых, приповерхностный ток, при этом генерируются носители заряда, генерированные электроны «выталкиваются» вглубь полупроводника, а дырки устремляются в сторону поверхности кристалла, и, во-вторых, оптический нелинейный эффект, являющийся причиной  нарушения симметрии кристаллической решетки полупроводника.
В число эффектов, привносящих вклад в генерацию терагерцового импульса в низкочастотной области спектра и не зависящих от приповерхностного поля, входят, во-первых, фотоэффект Дембера, заключающийся в диффундировании электронов вглубь полупроводника на глубину порядка 1 мкм и последующей рекомбинации носителей заряда, и, во-вторых, оптическое выпрямление, при котором лазерные импульсы проникают на глубину порядка 100 нм, обеспечивают генерацию носителей заряда и затем отражаются.
За счет приложения внешнего поля, приводящего к модуляции в генерирующем элементе, происходит смещение кривой напряженности приповерхностного поля, при котором кривая напряженности смещается к нулевому значению, тем самым нивелируя вклад эффектов, зависящих от приповерхностного поля полупроводника, и выделяя эффекты, не зависящие от него, либо смещается в обратную сторону от изначального положения кривой, приобретая противоположный знак, тем самым максимизируя вклад эффектов, зависящих от приповерхностного поля.
Вышеописанным образом модулируются эффекты, зависящие от приповерхностного поля, что позволяет выделить высокочастотную компоненту терагерцового импульса, не влияя на эффективность оптико-терагерцового преобразования в низкочастотной области.
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого импульсного терагерцового спектрометра с исследуемым образцом, где 1 – импульсный лазер, 2 – лазерное излучение, 3 – светоделительный элемент, 4 – блок генерации, 5 – фильтр лазерного излучения, 6 – терагерцовое излучение, 7 – система транспорта терагерцового излучения, 8, 9 – внеосевые параболические зеркала, 10 – образец, 11 – блок оптической линии задержки, 12 – блок регистрации, 13 – электрооптический кристалл, 14 – четвертьволновая пластинка, 15 – поляризационный элемент, 16, 17 – фотоприемники, 18 – дифференциальный усилитель, 19 – синхронный детектор, 20 – блок сканирования, 21 – блок обработки, 22 – блок хранения информации, 23 – блок управления линией задержки.
На фиг. 2 схематически представлен блок генерации, где 24 – генерирующий элемент, 25 и 26 – электроды, 27 – полупроводниковый слой, 28 – диэлектрический слой, 29 - металлический слой.
Предлагаемое устройство содержит импульсный лазер 1, оптически связанный со светоделительным элементом 3, который оптически связан с блоком оптической линии задержки 11 и блоком генерации 4. Блок оптической линии задержки 11 связан для обеспечения его управления с блоком управления оптической линии задержки 23.
Блок генерации 4 состоит из генерирующего элемента 24 (фиг. 2), представляющего собой трехслойную структуру металл-диэлектрик-полупроводник, выполнен в виде слоя полупроводника 27 с последовательно нанесенными на его поверхность диэлектрическим 28 и металлическим 29 слоями. Модуляция генерирующего элемента 24 производится за счет подачи внешнего напряжения на электроды 25 и 26, один из которых электрически соединен с полупроводником, а второй – с металлом.
Блок генерации 4 оптически связан с системой транспорта терагерцового излучения 7, состоящей из параболических внеосевых зеркал 8 и 9. В систему транспорта 7 входит также фильтр лазерного излучения 5, в ней же предусмотрена установка исследуемого образца 10, на который поступает прошедшее фильтр лазерное излучение. Система транспорта 7 оптически связана с блоком регистрации 12, который также оптически связан с блоком оптической линии задержки 11.
Блок регистрации 12 состоит из последовательно оптически связанных (см. фиг. 1) электрооптического кристалла 13, четвертьволновой пластинки (λ/4, где λ – длина волны импульсного лазера) 14, призмы Волластона 15 и фотоприемного блока, состоящего из двух фотоприемников 16 и 17, которые электрически связаны с дифференциальным усилителем 18 и синхронным детектором 19. Блок регистрации 12 связан с аппаратной системой предлагаемого устройства, а именно, синхронный детектор 19 электрически соединен с блоком сканирования 20.
Аппаратная система предлагаемого устройства состоит из блока сканирования 20, на который поступает информация с блока управления оптической линии задержки 23 и синхронного детектора 19, блока обработки 21 и блока хранения информации 22, информация на которые поступает с блока сканирования 20, с которым связаны указанные части устройства.
Заявляемое устройство работает следующим образом (см. фиг. 1 и 2).
Импульсный лазер 1 генерирует излучение 2 на длине волны λ, например, лежащей в диапазоне 750-850 нм. Излучение разделяется на два пучка лазерного излучения светоделительным элементом 3 и первый пучок направляется в блок генерации 4. Второй пучок лазерного излучения 2 проходит через блок оптической линии задержки 11 и поступает в блок регистрации 12 с задержкой.
В блоке генерации 4 при частичном поглощении лазерных импульсов первого пучка лазерного излучения 2 в приповерхностном слое генерирующего элемента 24 происходит излучение терагерцовых импульсов 6 за счет эффектов, описанных выше. За счет приложенного поля, при подаче внешнего напряжения на электроды 25 и 26, которые электрически связаны со слоем полупроводника 27 и металлическим слоем 29 соответственно, происходит смещение кривой напряженности приповерхностного поля полупроводникового слоя генерирующего элемента. В результате возникает возможность разделения эффектов, зависящих от приповерхностного поля и не зависящих от последнего.
При использовании длины волны излучения импульсного лазера, лежащей в диапазоне 750-850 нм, генерирующий элемент выполнен в виде полупроводникового слоя из материала, состоящего из компонентов А1 и А2, с нанесенными последовательно на полупроводниковый слой диэлектрическим слоем из материала, состоящего из компонентов А3 и А4, и металлическим слоем.
Полупроводник реализован в виде соединения, где компонент А1 – элемент группы III таблицы Менделеева, может быть индием (In), а компонент А2 – элемент группы V таблицы Менделеева, может быть мышьяком (As). Толщина слоя полупроводника 27 составляет 1-10 мкм.
Диэлектрический слой сформирован в составе элементов группы III, группы V и группы VI таблицы Менделеева. В частности, в его составе может быть в качестве элемента группы III таблицы Менделеева индий (In), в качестве элемента группы V таблицы Менделеева - мышьяк (As), а в качестве элемента группы VI таблицы Менделеева - кислород (O). Компоненты А3 и А4 диэлектрического слоя являются оксидами элементов группы III, группы V таблицы Менделеева. Толщина диэлектрического оксидного слоя составляет 10-50 нм.
2
3
2
3
Диэлектрический слой сформирован в результате пассивирования поверхности полупроводникового слоя (InAs) посредством термического окисления, за счет чего формируется оксидная пленка из двух оксидов (InO и AsO) и концентрируется на границе раздела сред. Затем термическим напылением наносят металлический слой (в частности, ITO – оксид индия с добавкой олова).
Металлический слой сформирован в составе элементов группы III, группы IV, группы VI таблицы Менделеева. В его составе присутствует в качестве элемента группы III таблицы Менделеева индий (In), в качестве элемента группы IV таблицы Менделеева - олово (Sn), а в качестве элемента группы VI таблицы Менделеева – кислород (O). Металлический слой (индия-олова-оксид, ITO) выполнен толщиной 80 -120 нм.
Внеосевые параболические зеркала 8, 9 системы транспорта 7 терагерцового излучения оптически связаны таким образом, что отражают падающее излучение под углом 90°, при этом зеркало 8 коллимирует терагерцовое излучение 6, а зеркало 9 фокусирует терагерцовое излучение 6 на электрооптический кристалл 13. Фокус внеосевого параболического зеркала 8 находится на поверхности генерирующего элемента 24 в точке генерации расходящегося терагерцового излучения 6. Зеркало 8 отражает терагерцовое излучение 6 и остаточное лазерное излучение 2 из блока генерации 4 в виде коллимированного под углом 90° на внеосевое параболическое зеркало 9. При этом фильтр лазерного излучения 5, находящийся между внеосевыми зеркалами 8 и 9, поглощает остаточное излучение первого пучка лазерного излучения 2 и пропускает терагерцовое излучение 6. Внеосевое параболическое зеркало 9 собирает прошедшее через исследуемый образец 10 терагерцовое излучение 6 и отражает его в виде сфокусированного пучка терагерцового излучения 6 на электрооптический кристалл 13 блока регистрации 12.
Второй пучок лазерного излучения 2, прошедший через блок оптической линии задержки 11, приходит в ту же точку электрооптического кристалла 13, что и терагерцовое излучение 6. При этом блок оптической линии задержки 11 формирует временную задержку между вторым пучком лазерного излучения 2 и импульсами терагерцового излучения 6 посредством изменения длины оптического пути второго пучка лазерного излучения 2.
Блок регистрации 12 регистрирует напряженность терагерцового поля с помощью второго пучка лазерного излучения 2, который в электрооптическом кристалле 13 приобретает эллиптическое изменение поляризации, которое преобразуется в поворот плоскости поляризации четвертьволновой пластинкой 14 таким образом, что угол поворота поляризации пропорционален этому изменению. Затем поляризационный элемент 15, который может быть выполнен в виде призмы Волластона, разделяет второй пучок лазерного излучения 2 на два пучка с ортогональными поляризациями, каждый из которых преобразуется в электрический сигнал фотоприемниками 16 и 17, таким образом, что разность интенсивностей пучков с ортогональными поляризациями пропорциональна повороту плоскости поляризации. Фотоприемники 16, 17 осуществляют преобразование таким образом, что уровень электрического сигнала пропорционален интенсивности падающего излучения. Разностный сигнал с фотоприемников 16, 17 усиливается дифференциальным усилителем 18 и детектируется синхронным детектором 19 так, что сигнал на выходе синхронного детектора 19 оказывается пропорционален напряженности поля терагерцового излучения 6.
Причем, при длине волны излучения импульсного лазера, лежащей в диапазоне 750-850 нм в блоке регистрации 12 электрооптический кристалл 13 может быть выполнен в виде кристалла теллурида цинка (ZnTe), а фотоприемники 16 и 17 могут быть выполнены в виде кремниевых (Si) фотодиодов.
Блок сканирования 20 управляет блоком оптической линии задержки 11 посредством блока управления оптической линией задержки 23 и записывает зависимость выходного сигнала синхронного детектора 19 от временной задержки второго пучка лазерного излучения 2. Полученная зависимость представляет собой временную форму импульса терагерцового излучения 6. Она передается в блок обработки 21, который вычисляет ее спектр посредством дискретного преобразования Фурье. Временная форма и спектр импульса терагерцового излучения 6 записываются в блок хранения информации 22.
Свойства исследуемого образца 10 в терагерцовой области частот электромагнитного спектра определяются путем совместной обработки двух спектров импульсов терагерцового излучения 6: с установленным образцом 10 и без него.
Преимущества предлагаемого импульсного терагерцового спектрометра с полупроводниковым генератором на эффекте модуляции приповерхностного поля заключаются прежде всего в том, что за счет исключения модулятора лазерного излучения из схемы спектрометра не возникает обратная связь от фемтосекундного генератора лазерных импульсов, что увеличивает соотношение сигнал/шум. Также, использование структуры металл-диэлектрик-полупроводник в генерирующем элементе позволяет производить генерацию терагерцового излучения в широком диапазоне длин волн лазерного излучения от 750 до 1600 нм. Помимо этого, предлагаемое устройство обладает высокой надежностью по отношению к статическому электричеству. Следующее преимущество заключается в том, что за счет разделения эффектов, привносящих вклад в генерацию терагерцового излучения, происходит расширение спектрального диапазона в высокочастотную область спектра. Кроме того, сокращение количества составных элементов предлагаемого спектрометра, а также уменьшение стоимости генерирующего терагерцовое излучение элемента позволяют снизить стоимость конечного устройства, а также уменьшить его габариты.
Разработка принципов промышленного применения данного устройства и способа исследования материалов с помощью данного устройства была осуществлена с использованием оборудования ЦКП "ВТАН" Новосибирского государственного университета.