МОДУЛЯТОР ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к оптоэлектронике, в частности, к модуляторам интенсивности оптического излучения на основе магнитного материала, прозрачность которого меняется при приложении к нему переменного магнитного поля.
Известны различные модуляторы света, основанные на различных физических явлениях (Е.Р.Мустель и В.Н.Парыгин «Методы модуляции и сканирования света», М., Наука, 1970). В них характеристики оптической среды могут меняться под влиянием электрического поля (эффекты Поккельса и Керра), магнитного поля, под действием упругих напряжений (фотоупругость).
С
Среди магнитоуправляемых модуляторов известны модуляторы инфракрасного (далее ИК) излучения, основанные на повороте плоскости поляризации плоско поляризованной волны (эффект Фарадея), на изменениях при приложении внешнего магнитного поля зонной структуры магнитных полупроводников [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] или изменении объема ферромагнитной проводящей фазы вблизи температуры Кюри (далее Т) [Ю.П.Сухоруков, Н.Н.Лошкарева, Е.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].
Эффект магнитопропускания - это изменение интенсивности электромагнитного излучения, прошедшего через магнитооптический элемент из магнитного полупроводника (монокристалл, пленку), под действием внешнего магнитного поля величиной Н:
H
H=0
H=0
(I-I)/I,
H
где I - интенсивность прошедшего излучения в магнитном поле Н,
H=0
I - интенсивность прошедшего излучения без магнитного поля.
Магнитопропускание связано с изменением коэффициента поглощения магнитного полупроводника а во внешнем магнитном поле, поскольку интенсивность света, прошедшего через образец, определяется формулой:
H,H=0
0
H,H=0
2
I=I(1-R)exp(-d·α),
0
где I - интенсивность падающего излучения,
R - коэффициент отражения,
d - толщина пластины (монокристалла, пленки) магнитного полупроводника,
H
H=0
α и α - коэффициент поглощения в магнитном поле Н и без магнитного поля, соответственно.
1-x
x
3
C
С
0.7
0.3
3
C
0.67
0.33
3
Физическая причина существования эффекта магнитопропускания (магнитопоглощения) в дырочно-легированных манганитах с общей формулой ABMnO, где A - трехвалентный редкоземельный металл La, Pr, Nd и др., В - двухвалентный щелочноземельный или одновалентный щелочной металл Na, К, Ag, Ca, Sr, Ba, Pb и др., уровень замещения ионов типа А ионами типа В составляет х≤0.5, заключается в следующем: при магнитном фазовом переходе из парамагнитного состояния в ферромагнитное вблизи Т происходит так же переход из полупроводникового состояния в состояние с металлической проводимостью. В области магнитного фазового перехода манганит находится в неоднородном магнитном и зарядовом состоянии, при котором области, в которых произошел переход в ферромагнитное металлической состояние, сосуществуют с областями, в которых сохраняется парамагнитное полупроводниковое состояние. Ферромагнитная металлическая фаза обладает высоким коэффициентом поглощения в ИК диапазоне по сравнению с парамагнитной полупроводниковой фазой. Приложение магнитного поля приводит к увеличению объема областей с ферромагнитным металлическим состоянием (с высоким коэффициентом поглощения) и, соответственно, к уменьшению пропускания ИК излучения (прозрачности) манганита. В результате вблизи Т наблюдается эффект отрицательного магнитопропускания. Его абсолютная величина зависит от относительного объема ферромагнитной металлической фазы в манганитах при низких температурах, который меняется в зависимости от уровня легирования × манганитов, выбранных элементов А и В и стехиометрии по кислороду: чем больше объем этой фазы, тем выше эффект магнитопропускания (абсолютная величина эффекта магнитопропускания). Максимальный эффект магнитопропускания в манганитах наблюдался в эпитаксиальных пленках состава LaCaMnOи составлял ~28% при Т=T=265 K (Yu.P.Sukhorukov, E.A.Gan'shina, В.I.Belevtsev, N.N.Loshkareva, А.N.Vinogradov, K.D.D.Rathnayaka, A.Parasiris, and D.G.Naugle. Giant change in infrared light transmission in LaCaMnOfilm near the Curie temperature. // J.Appl. Phys. 2002. V.91. P.4403).
1-x
x
3
Наиболее близким к заявленному техническому решению является модулятор ИК излучения, содержащий рабочий оптический элемент, выполненный из двух и более слоев манганита ABMnO, в котором трехвалентный металл А, в качестве которого используют элементы редкоземельного ряда La, Ca, Pr, Nd, Sm, Eu, частично замещен одно- или двухвалентным металлом В, в качестве которого используют Na, K, Ag, Ca, Sr, Ba, со степенью замещения х, обладающего эффектом магнитопропускания, расположенного на прозрачной подложке из монокристалла, который помещен в источник управляющего магнитного поля [Патент РФ №2346315, оп. 10.02.09]
Данное устройство имеет следующие недостатки:
C
0.67
0.33
3
- в результате выполнения магнитооптического элемента модулятора из эпитаксиальной пленки на монокристаллической подложке происходит уменьшение величины эффекта магнитопропускания и температуры его существования за счет уменьшения T пленки вследствие существования напряжений на границе пленка-подложка за счет разности параметров кристаллических решеток манганита и подложки (Yu.P.Sukhorukov, A.P.Nosov, N.N.Loshkareva, E.V.Mostovshchikova, A.V.Telegin, E.Favre-Nicolin, and L.Ranno. The influence of magnetic and electronic inhomogeneities on magnetotransmission and magnetoresistance of LaCrMnO films. // J.Appl. Phys. 2005. V.97. P.103710);
- в результате выполнения магнитооптического элемента модулятора из двух и более слоев манганита происходит увеличение толщины оптического элемента, и, как следствие, уменьшение пропускания ИК излучения и снижение КПД модулятора ИК излучения;
- каждый из этапов приготовления эпитаксиальной пленки, а именно: подбор монокристаллической подложки с соответствующими параметрами решеток, полировка поверхности подложки, необходимые для качественного осаждения пленки нужного состава, контроль за стехиометрией и анализ состава полученных пленок представляют сложную процедуру.
В основу полезной модели положена задача расширения арсенала модуляторов ИК излучения на эффекте магнитопропускания за счет использования новых магнитооптических элементов при упрощении процесса их изготовления
1-x
x
3
1-х
х
3
Поставленная задача решается тем, что в модуляторе ИК излучения, содержащем рабочий магнитооптический элемент, выполненный из материала, включающего манганит ABMnO, обладающий эффектом магнитопропускания, в котором трехвалентный редкоземельный металл А, в качестве которого используют элементы La, Pr, Nd или сочетания этих металлов, частично замещен одно- или двухвалентным металлом В, в качестве которого используют Na, K, Ag, Ca, Sr, Ba, Pb, со степенью замещения х≤0.5, помещенный в источник управляющего магнитного поля, согласно изобретению, материал рабочего магнитооптического элемента состоит из композиционной смеси порошка манганита АВMnО и диэлектрика, прозрачного в инфракрасном диапазоне.
При этом:
1-х
х
3
- содержание порошка манганита AВМnО в композиционной смеси составляет 0.1-10 мас.%, диэлектрик, прозрачный в ИК диапазоне - остальное;
1-х
х
3
- порошок манганита AВМnО с х≤0.5 имеет размер зерна от 100 нм до 20 мкм;
1-х
х
3
- порошок манганита AВМnО с х=0.5 имеет размер зерна от 10 до 100 нм
- в качестве диэлектрика, прозрачного в ИК диапазоне, используются порошки йодистого цезия CsJ, бромистого калия КВг либо ИК стекла.
1-х
х
3
C
1-х
х
n
3
C
Причем модулятор на основе порошка манганита AВМnО с x≤0.5 с размером частиц порошка более 100 нм (далее крупнозернистого порошка) может работать в узком температурном интервале вблизи T, а модулятор на основе порошка манганита AВМО с x=0.5 с размером частиц порошка манганита менее 100 нм (далее нанопорошка) может работать в широком температурном интервале ниже T.
Магнитооптический элемент из композиционной смеси крупнозернистого порошка или нанопорошка манганита и диэлектрика, прозрачного в ИК диапазоне, (далее прозрачной матрицы) получали путем прессования смеси порошков манганита и прозрачного в ИК диапазоне диэлектрического материала пластичного под давлением (например, CsI, KBr) или введением крупнозернистого или нанопорошка манганита в шихту прозрачных в ИК диапазоне стекол и полимеров с последующим плавлением.
1-х
х
3
1-х
х
3
В магнитооптическом элементе, выполненном из композиционной смеси, содержащей крупнозернистый порошок манганита AВМnO с х≤0.5, эффект магнитопропускания сопоставим с эффектом, получаемым в магнитооптическом элементе, выполненном из эпитаксиальной пленки манганита AВМnО такого же состава, выращенной на монокристаллической подложке.
1-х
х
3
C
C
1-х
х
3
C
Использование для рабочего магнитооптического элемента нанопорошка, манганита AВМnО с x=0.5 обеспечивает существование эффекта магнитопропускания не только вблизи T, но и в широком температурном интервале существенно ниже T (как минимум до температуры Т=90 K). Расширение температурного интервала существования эффекта магнитопропускания в магнитооптическом элементе, выполненном из композиционной смеси, содержащей нанопорошок манганита AВМnО с x=0.5, объясняется особенностями магнитного состояния манганитов такого состава в наносостоянии. Как было описано выше, в легированных манганитах переход в состояние с ферромагнитно упорядоченными спинами сопровождается переходом в состояние с металлической проводимостью. Частицы нанопорошков манганитов имеют большой объем поверхностного слоя с разупорядоченными спинами и локализованными носителями заряда, и это состояние сохраняется до низких температур (до 5 К). Внешнее магнитное поле ориентирует спины вдоль направления магнитного поля и, следовательно, делокализует носители заряда, вызывая появление или увеличение объема ферромагнитной металлической фазы с высоким коэффициентом поглощения и, как результат уменьшение интенсивности прошедшего ИК излучения и существование эффекта магнитопропускания при любых температурах ниже T объемного манганита.
1-х
х
3
Таким образом, рабочий температурный интервал заявляемого модулятора ИК излучения, работающего на эффекте магнитопропускания, содержащего оптический элемент, выполненный из композиционной смеси, содержащей нанопорошок манганита AВМnО с x=0.5, существенно шире по сравнению с температурным интервалом модулятора ИК излучения с магнитооптическим элементом, выполненным из композиционной смеси, содержащей крупнозернистый порошок манганита того же состава.
1-х
х
3
Предложенный модулятор ИК излучения с новым композитным материалом для магнитооптического элемента, работающий в широком температурном интервале, на основе нанопорошка манганита AВМnО с x=0.5, выгодно отличается не только отсутствием необходимости эпитаксиального выращивания нескольких слоев манганитов разного состава, приводящим к уменьшению пропускания ИК излучения и снижению КПД магнитооптического устройства, но и простотой исполнения.
0.7
0.3
3
Магнитооптический элемент заявляемого модулятора из крупнозернистого порошка манганита LaCaМnО и прозрачной матрицы CsJ, выполнен из композиционной смеси этих ингредиентов, взятых в количестве 2 и 400 мг, соответственно, спрессованной под давлением 0.9 ГПа в виде диска диаметром 1 см и толщиной 1 мм.
0.7
0.3
3
0.5
0.5
3
В другом примере осуществления модулятора, где в композиционной смеси, из которой выполнен магнитооптический элемент, крупнозернистый порошок манганита LaCaMnO заменен на нанопорошок манганита NdSrMnO, полученный путем размола крупнозернистого порошка манганита такого же состава в шаровой мельнице в течение 2-5 часов. Остальные характеристики соответствуют предыдущему варианту.
Техническим результатом, обеспечиваемьм приведенной совокупностью признаков, является расширение арсенала модуляторов ИК излучения, работающих на эффекте магнитопропускания в манганитах.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг.1 представлено схематическое изображение модулятора ИК излучения. Магнитное поле направлено вдоль направления распространения света и перпендикулярно освещаемой поверхности;
на фиг.2 - то же, но с управляемым магнитным полем, направленным перпендикулярно распространению света и вдоль освещаемой поверхности магнитооптического элемента;
0.7
0.3
3
на фиг.3 - температурная зависимость эффекта магнитопропускания композиционной смеси из крупнозернистого порошка манганита LaСаМnО и прозрачной матрицы CsJ, измеренная в магнитном поле 8 кЭ, при длине волны 6 мкм;
0.7
O.3
3
на фиг.4 - спектральная зависимость эффекта магнитопропускания композиционной смеси из крупнозернистого порошка манганита LaСаМnО и прозрачной матрицы CsJ, измеренного в магнитном поле 8 кЭ при температуре максимального значения эффекта, т.е. при Т=213 К;
0.5
0.5
3
0.5
0.5
3
на фиг.5 - температурные зависимости эффекта магнитопропускания композиционной смеси из крупнозернистого порошка манганита NdSrMnO и прозрачной матрицы CsJ (кривая 1) и из нанопорошка манганита NdSrMnO и прозрачной матрицы CsJ (кривая 2), измеренные в магнитном поле 8 кЭ, при длине волны 6 мкм;
0.5
0.5
3
C
на фиг.6 - спектральные зависимости эффекта магнитопропускания композиционной смеси из нанопорошка манганита NdSrMnO и прозрачной матрицы CsJ, измеренные при T=T=230 К (кривая 1) и при Т=90 K (кривая 2) в магнитном поле 8 кЭ.
0.7
0.3
3
0.5
0.5
3
Модулятор ИК излучения содержит рабочий магнитооптический элемент 1 в виде диска толщиной d=1 мм и диаметром D=1 см, выполненный из композиционной смеси порошка 2 (крупнозернистого или нанопорошка) манганита LaCaMnO или NdSrMnO и прозрачной матрицы 3 CsJ. (фиг.1, 2). Рабочий магнитооптический элемент 1 помещен в катушку 4 переменного магнитного поля.
Модулятор работает следующим образом. При пропускании переменного электрического тока с частотой ω через катушку 4 (фиг.1, 2) индуцируется переменное магнитное поле, которое вызывает модуляцию интенсивности ИК излучения, прошедшего через зерна порошка 2 манганита за счет эффекта магнитопропускания и, следовательно, через рабочий магнитооптический элемент 1 в целом. Магнитное поле прикладывается перпендикулярно или параллельно или под углом относительно освещаемой поверхности рабочего магнитооптического элемента 1, состоящего из порошка 2 манганита, помещенного в прозрачную матрицу 3. Эффект магнитопропускания является четным, частота изменения интенсивности прошедшего излучения равна удвоенной частоте 2ω магнитного поля катушки 4.
0.7
0.3
3
C
0.7
0.3
3
C
0.7
0.3
3
0.67
0.33
3
Температура Кюри порошка манганита LaСаМnО составляет T~213 K. Температурная зависимость магнитопропускания композиционной смеси из LaСаМnО 2 мг и CsJ 400 мг (фиг.3) имеет максимум при T порошка манганита. Модулятор ИК излучения с магнитооптическим элементом 1, выполненным из композиционной смеси, содержащей порошок LaСаМnО, может работать в температурном интервале от 186 до 233 K (фиг.3) и в спектральном интервале 2.3-8 мкм (фиг.4). Эффект магнитопропускания достигает 28% и равен по величине эффекту, ранее полученному в пленке манганита такого же состава (Yu.P.Sukhorukov, E.A.Gan'shina, B.I.Belevtsev, N.N.Loshkareva, A.N.Vinogradov, K.D.D.Rathnayaka, A.Parasiris, and D.G.Naugle. Giant change in infrared light transmission in LaCaMnO film near the Curie temperature. // J.Appl. Phys. 2002. V.91. P.4403).
0.5
0.5
3
C
0.5
0.5
3
C
0.5
0.5
3
C
C
Температура Кюри крупнозернистого порошка манганита NdSrMnO составляет T~245 K, нанопорошка манганита NdSrMnO - T~215 K. Использование нанопорошка манганита NdSrMnO в композиционной смеси, используемой для создания магнитооптического элемента, дает расширение температурного рабочего интервала модулятора ИК излучения по сравнению с крупнозернистым порошком манганита того же состава от T до 90 K (фиг.5). При этом спектральный рабочий интервал в T и при 90 K составляет от 2 до 12 мкм (фиг.6).
Проведенные лабораторные испытания предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и тем самым достижение технического результата - расширение арсенала модуляторов ИК излучения на эффекте магнитопропускания за счет использования новых магнитооптических элементов при упрощении процесса их изготовления.