ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР МИЛЛИМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
PYROELECTRIC MILLIMETER RADIATION DETECTOR (VERSIONS)

Область техники
Изобретение относится к технике измерений, в частности к измерению интенсивности электромагнитного излучения с пространственным и поляризационным разрешением.
Уровень техники
Интерес к миллиметровой (ММ) области длин волн электромагнитного излучения обусловлен бурным развитием источников данного излучения. Миллиметровое излучение привлекательно тем, что обеспечивает возможность достижения более высокого, по сравнению с сантиметровым диапазоном, пространственного разрешения изображения и большей глубиной проникновения излучения в исследуемые объекты, по сравнению с ИК излучением [1-3]. Миллиметровое излучение свободно проходит через непроводящие среды, такие как различного рода пластики, текстильные ткани, мелкодисперсные среды -туман, пыль, облака. С другой стороны, это излучение активно взаимодействует с проводящими материалами, биологическими и химическими объектами. Такие свойства позволяют создать системы детектирования скрытых объектов и веществ, в том числе опасных, системы дистанционного, не контактного, химического и биологического анализа различных веществ.
Одной из центральных проблем является создание малогабаритных, недорогих и надежных как одиночных, так и матричных детекторов миллиметрового излучения, обладающих высокой чувствительностью и достаточно высоким быстродействием. Одним из перспективных направлений является использование пироэлектрических детекторов. Сигнал пироэлектрического детектора пропорционален скорости изменения температуры пироэлектрической пленки (dT/dt) под действием поглощенного излучения [4], т.е. детектор работает по фронтам входного сигнала. Это позволяет получить большее быстродействие датчика по сравнению с болометрическими детекторами.
Известен пироэлектрический детектор, который представляет собой тонкую пироэлектрическую пленку с двумя контактными электродами (верхним и нижним), расположенными перпендикулярно направлению спонтанной поляризации пироэлектрической пленки [4]. Состав пироэлектрической пленки подбирается таким образом, что она же является и поглотителем ИК излучения. Поэтому верхний электрод, обращенный к измеряемому излучению, изготавливается полупрозрачным к ИК излучению. Толщина пироэлектрической пленки составляет примерно 1-2 микрометра, что обеспечивает низкую теплоемкость пиродетектора и, следовательно, его высокую чувствительность и быстродействие. В отличие от других типов тепловых детекторов (например, болометрических) пиродетектор имеет большую скорость отклика, то есть, способен работать на высоких частотах. В работе [5] был продемонстрирован детектор, имеющий время отклика 170 пс. В монолитном исполнении пироэлектрический детектор сформирован на КМОП структуре, которая содержит системы считывания электрического сигнала и его предварительное усиление [4].
Недостатком данного детектора является то, что исторически пироэлектрический детектор излучения был оптимизирован на инфракрасную область спектра с длиной волны 3-20 мкм и обладает весьма низкой чувствительностью в миллиметровой области спектра [6]. В литературе известны попытки оптимизировать состав пироэлектрической пленки с целью расширения диапазона чувствительности в терагерцовую область спектра с длиной волны более 100 мкм [7]. Однако данный материал весьма слабо поглощает излучение с длиной волны порядка миллиметра.
Известен также преобразователь терагерцового излучения в инфракрасное излучение, которое регистрируется с помощью имеющихся на сегодняшний день инфракрасных матричных приемников [8]. Преобразователь выполнен в виде ультратонкой (не менее чем в 50 раз меньше длины волны терагерцового излучения) многослойной структуры на основе диэлектрического слоя. Со стороны падения терагерцового излучения на поверхности диэлектрического слоя выполнен металлизированный топологический рисунок, образующий частотно избирательную поверхность (ЧИП) (В.A. Munk, "Frequency Selective Surfaces: Theory and Design", John Wiley&Sons Inc, 2000) [9]. С обратной стороны диэлектрического слоя нанесен сплошной слой с металлической проводимостью. Диэлектрический слой с ЧИП с одной стороны и металлическим слоем с другой стороны образуют резонансный поглотитель с коэффициентом поглощения, в максимуме близким к единице (более 0.9). Топология ЧИП и толщина диэлектрического слоя выбираются такими, чтобы обеспечить заданное положение максимума поглощения и заданную ширину линии поглощения миллиметрового излучения, при этом суммарная толщина резонансного поглотителя много меньше длины волны миллиметрового излучения. С обратной стороны диэлектрического слоя поверх слоя с металлической проводимостью нанесен тонкий эмиссионный слой материала, обладающего коэффициентом излучения близким к единице. Преобразователь работает следующим образом. Терагерцовое излучение поглощается ультратонким резонансным поглотителем, что приводит к нагреву преобразователя и увеличению интенсивности теплового излучения со стороны эмиссионного слоя. Тепловое излучение эмиссионного слоя регистрируется инфракрасной камерой.
Недостатком устройства регистрации излучения, как показали эксперименты, является его низкое быстродействие. Это связано с тем, что структура преобразователя представляет собой пленку, свободно висящую в вакууме или воздушной среде, и которая остывает в основном за счет теплового излучения, а этот процесс оказался более медленным, чем остывание за счет контактной теплопроводности. Это делает проблематичным использование данного преобразователя для быстродействующих систем.
Задача изобретения и технический результат
Задачей изобретения является создание пироэлектрического детектора, обладающего высокой чувствительностью в миллиметровой области электромагнитного излучения, обладающего чувствительностью к поляризации излучения, обладающего быстродействием не хуже стандартных пироэлектрических детекторов для инфракрасного излучения.
Технический результат: реализация возможности детектирования электромагнитного излучения в миллиметровой области, в том числе с пространственным разрешением, а также с поляризационным разрешением и высоким быстродействием.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решена тем, что известный пироэлектрический детектор инфракрасного излучения снабжен ультратонким резонансным поглотителем, обеспечивающим поглощение миллиметрового излучения.
Поглотитель представляет собой структуру, состоящую из диэлектрического слоя, на поверхности которого со стороны падения миллиметрового излучения выполнен металлизированный топологический рисунок, образующий частотно избирательную поверхность. На противоположную сторону диэлектрического слоя нанесен сплошной слой с металлической проводимостью. Топология частотно избирательной поверхности и толщина диэлектрического слоя выбираются такими, чтобы обеспечить заданное положение максимума поглощения и заданную ширину линии поглощения миллиметрового излучения.
В заявляемом устройстве поглотитель размещен непосредственно на пироэлектрической пленке детектора и имеет с ней физический контакт, достаточный для эффективной передачи тепловой волны от поглотителя к пироэлектрической пленке, где формируется электрический сигнал, пропорциональный скорости изменения температуры.
Выполнение резонансного поглотителя в виде ультратонкой (не менее чем в 50 раз меньше длины волны миллиметрового излучения) структуры, содержащей ЧИП, связано с тем, что для реализации высокочастотного режима измерений с высокой чувствительностью поглощающий слой должен обладать достаточно малой толщиной (низкой теплоемкостью) и близким к единице коэффициентом поглощения для миллиметрового излучения.
Физический контакт между структурой поглотителя и пироэлектрической пленкой может быть реализован простым прижатием поглотителя по периметру пироэлектрической пленки без использования промежуточных связующих слоев. Также, поглотитель может быть приклеен к пироэлектрической пленке по всей площади, при этом слой клея должен быть тонким и теплопроводящим.
Для реализации одиночного детектора миллиметрового излучения поперечный размер поглотителя и пироэлектрической пленки должны быть порядка длины волны регистрируемого излучения.
Для регистрации изображения в миллиметровом диапазоне длин волн детектор может представлять собой матричную структуру пироэлектрических пленок с поглотителем, сформированную на одной подложке - коммутаторе, который преобразует сигналы с каждого элемента матрицы (пироэлектрическая пленка + ультратонкий поглотитель) в выходной сигнал матричной структуры. Структура поглотителя может быть единой пленкой, закрывающей всю матричную структуру пироэлектрических пленок, либо каждый элемент матрицы снабжен собственным независимым поглотителем. В последнем случае уменьшается межэлементная теплопроводность по структуре поглотителя, что уменьшает эффект расплывания изображения.
Для реализации многоспектрального режима с пространственным разрешением матричная структура содержит элементы с различными топологическими рисунками ЧИП, обеспечивающими резонансное поглощение на различных длинах волн миллиметрового излучения.
Для реализации режима спектрофотометра - измерителя спектральной зависимости регистрируемого излучения, все элементы матричной структуры имеют различные спектральные чувствительности в заданном диапазоне длин волн.
Для реализации поляризационно-независимой чувствительности на заданной длине волны, ЧИП содержит изотропную топологию, обеспечивающую поляризационно-независимый коэффициент поглощения резонансного поглощающего слоя.
Для реализации поляризационной чувствительности на заданной длине волны, ЧИП содержит анизотропную топологию, обеспечивающую поляризационно-зависимый коэффициент поглощения резонансного поглощающего слоя.
Для реализации режима поляриметра - измерителя эллипса поляризации поглощаемого излучения на заданной длине волны с пространственным разрешением, матричная структура содержит не менее 3 типов элементов с поляризационно-зависимым коэффициентом поглощения.
Для достижения многоспектральности и поляризационной чувствительности, матричная структура содержит не менее 2 типов элементов со спектрально-зависимым коэффициентом поглощения и не менее 3 типов элементов с поляризационно-зависимым коэффициентом поглощения поглотителей.
Описание изобретения
Описание изобретения поясняется фигурами 1, 2, 3, 4 (а, б, в, г) и 5.
На фигуре 1 показана структура одиночного детектора миллиметрового излучения, где 1 - диэлектрический слой, 2 - частотно избирательная поверхность, которая представляет собой топологический рисунок, выполненный в слое металла, обеспечивающий резонансное поглощение на заданной длине волны миллиметрового излучения, 3 - слой с металлической проводимостью, 4 - пироэлектрическая пленка (электроды не показаны), 5 - система считывания сигнала с пироэлектрической пленки, 6 - миллиметровое излучение, 7 - выходной сигнал к приемнику.
На фигуре 2 показана матричная структура детектора со сплошным поглотителем для регистрации миллиметрового изображения, обозначения те же, что и на фигуре 1.
На фигуре 3 показана матричная структура детектора, в которой каждый элемент имеет индивидуальный поглотитель, обозначения те же, что и на фигуре 1.
На фигуре 4 а, б, в и г показаны фрагменты матриц элементов для реализации заявляемых режимов работы.
Для реализации многоспектрального поляризационно-независимого режима матрица содержит элементы двух и более типов с поглощающими слоями с изотропной топологией ЧИП, имеющих резонанс для различных длин волн терагерцового излучения (Фиг. 4 а).
Для реализации режима спектрофотометра - измерителя спектральной зависимости регистрируемого излучения, все элементы матричной структуры имеют различные спектральные чувствительности в заданном диапазоне длин волн.
Для реализации многоспектрального поляризационно-чувствительного режима матрица содержит элементы двух и более типов с поглощающими слоями с анизотропной топологией ЧИП, имеющих резонанс для различных длин волн терагерцового излучения (Фиг. 4б). Направление поляризации излучения, соответствующее максимальному поглощению, показано стрелками. При ортогональном направлении поляризации падающего излучения поглощение будет равняться нулю. Таким образом, данный тип резонансного поглотителя выполняет одновременно и роль поляризационного фильтра.
Для реализации режима монохроматического поляриметра с пространственным разрешением (измерителя эллипса поляризации поглощаемого излучения на заданной длине волны) матрица содержит элементы трех типов с поглощающими слоями с анизотропной (чувствительной к направлению поляризации) топологией ЧИП, имеющих резонанс для трех направлений вектора поляризации миллиметрового излучения с заданной длиной волны, повернутых относительно друг друга на 45 градусов (Фиг. 4в). Направление поляризации, соответствующее максимальному поглощению, показано направлением штриховки.
Реализация режима многоспектрального поляриметра осуществляется комбинацией в одной матрице элементов с анизотропной топологией ЧИП, имеющих резонанс для разных длин волн и направлений вектора поляризации миллиметрового излучения (Фиг. 4г).
1
2
3
Наличие трех элементов с анизотропной ЧИП, имеющих резонансное поглощение на одной длине волны, но для трех разных направлений поляризации, повернутых относительно друг друга на заданный угол, является необходимым и достаточным условием для однозначного определения эллипса поляризации поглощаемого излучения. На фигуре 5 показан эллипс поляризации, определяемый тремя параметрами: полуосями а и b, и углом наклона θ эллипса относительно выбранных осей координат. Если обозначить величины сигналов, получаемых с каждого типа пикселей, развернутых относительно друг друга на 45 градусов, как I, I, I, то параметры эллипса поляризации а, в, θ будут определяться системой из трех уравнений:
где
0
2
2
I=a+b
A=b/a.
Детектор работает следующим образом.
Миллиметровое излучение 6 поглощается резонансным поглотителем (слои 1+2+3), что приводит к нагреву поглотителя и пироэлектрической пленки, на которой размещен поглотитель. Нагрев пироэлектрической пленки формирует пироэлектрический сигнал, который регистрируется системой считывания пироэлектрического детектора. Таким образом, энергия миллиметрового излучения преобразуется в выходной электрический сигнал, пропорциональный интенсивности миллиметрового излучения.
Использованные источники информации
1. L. Yun-Shik. Principles of THz Science and Technology. Springer, 2009.
2. D. Liu, U. Pfeiffer, J. Grzyb, B. Gaucher. Advanced millimeter-wave technologies: antennas, packaging and circuits. J. Wiley & Sons, 2009.
3. F. Sizov. THz radiation sensors. Opto-Electron. Rev. 2010. Vol. 18. No. 1. P. 10-36.
4. А. Рогальский. Инфракрасные детекторы. Пер. с англ. под ред. А.В. Войцеховского. Новосибирск, Наука 2003, 636 с.
5. С.В. Poundy, R.L. Byer, D.W. Phillion and D.J. Kuizenga. A 170 psec pyroelectric detector. Optical Communication, p. 374-377, 1974.
6. Pyroelectric Array Cameras: Pyrocam™ III Series, SPIRICON, Member of the Ophir Group, www.ophiropt.com / www.spiricon.com
7. SPIE Photonics West 2012, Optoelectronic Materials and Devices THz Technology and Applications V - OE107, Paper Number 8261-27.
8. А.Г. Паулиш, C.A. Кузнецов, B.H. Федоринин, А.В. Гельфанд, П.А. Лазорский. Преобразователь терагерцового излучения (варианты). Патент РФ №2447574 от 16.11.2010.
9. В.A. Munk, "Frequency Selective Surfaces: Theory and Design", John Wiley&Sons Inc, 2000.