ГЕТЕРОДИННЫЙ СПЕКТРОМЕТР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ELECTROMAGNETIC RADIATION HETERODYNE SPECTROMETRE

Настоящее изобретение относится к области спектрометров-детекторов электромагнитного излучения, работающих в гигагерцовом-терагерцовом диапазонах частот. Изобретение представляет собой твердотельный спектрометр, основанный на смешивании исследуемого и известного сигналов излучения с использованием нелинейного магнитоплазменного отклика двумерных электронных систем. Изобретение может использоваться в разнообразных областях науки и техники: молекулярной спектроскопии, космических исследованиях, биологии, медицинской томографии, системах высокочастотной беспроводной связи.
-7
Известен гетеродинный спектрометр терагерцового излучения на горячих электронах. В качестве нелинейного элемента в приборе может использоваться чистый кристалл InSb, а также двумерный электронный газ полупроводниковых гетероструктур. Принцип действия спектрометра заключается в разогреве электронной системы под действием терагерцового излучения. Разностная частота гетеродинного спектрометра ограничивается эффективным временем релаксации горячих носителей заряда, которое для кристаллов InSb составляет 10 с, что соответствует разностной частоте в 10 МГц (М.А.Kinch and B.V.Rollin, "Detection of millimeter and submillimeter wave radiation by free carrier absorption in a semiconductor", British Journal of Applied Physics, vol.14, p.672 (1963)).
Известен гетеродинный спектрометр миллиметрового излучения на сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС) структурах. Принцип действия спектрометра основан на нелинейном поведении вольт-амперной характеристики СИС-структур. Гетеродинные спектрометры на СИС-структурах демонстрируют рекордные показатели шумовых характеристик. Однако их рабочая температура составляет 4.2 К, что приводит к необходимости использовать дорогостоящее и громоздкое криогенное оборудование (А.Н.Dayem and R.J.Martin, "Quantum interaction of microwave radiation with tunneling between superconductors", Phys. Rev. Lett., vol.8, p.246 (1962)).
Известен гетеродинный спектрометр терагерцового излучения, использующий в качестве нелинейного элемента полупроводниковую наноструктуру с двумерным заряженным слоем. Прибор включает в себя калибровочный генератор излучения известной частоты, прибор для измерения спектров в частотном диапазоне устройства, нелинейный рабочий элемент, представляющий собой полупроводниковую наноструктуру с двумерным заряженным слоем с, по крайней мере, двумя контактами к заряженному слою. Для модуляции электронной плотности в канале на поверхности кристалла структуры напыляется затвор, представляющий собой периодическую металлическую решетку. При рабочем режиме частота калибровочного излучения равняется частоте плазменного резонанса, возбуждаемого в канале полупроводниковой структуры. Вследствие того что скорость распространения плазменных возбуждений в двумерной электронной системе значительно превышает дрейфовую скорость носителей заряда, гетеродинный спектрометр на плазменном отклике демонстрирует гораздо большее быстродействие и разностную частоту, нежели все другие гетеродинные спектрометры, работающие на эффекте электронного разогрева (Пат. США №7376403 В1, опубл. 20. 05. 2008). Однако рабочая температура этого гетеродинного спектрометра не превышает 60 К. Это приводит к тому, что для работы прибора необходима дорогостоящая и громоздкая система криогенного охлаждения.
Данное устройство наиболее близко по конструкции к заявляемому гетеродинному спектрометру, поэтому взято в качестве прототипа.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в увеличении разностной частоты работы гетеродинного спектрометра, повышении его рабочей температуры, в упрощении системы охлаждения нелинейного рабочего элемента и возможности функционирования прибора в магнитном поле.
Для достижения заявленного технического результата к гетеродинному спектрометру электромагнитного излучения, включающему калибровочный генератор излучения известной частоты, прибор для измерения спектров в частотном диапазоне устройства, нелинейный рабочий элемент, представляющий собой полупроводниковую наноструктуру с двумерным заряженным слоем с, по крайней мере, двумя контактами к заряженному слою, в двумерный заряженный слой добавляются дефект/дефекты. Дефектом является любая неоднородность в топологии или параметрах двумерной электронной системы или ее диэлектрического окружения. Громоздкие системы криогенного охлаждения до температур ниже 60 К в заявляемом приборе заменяются на миниатюрные системы азотного и Пельтье охлаждения. Для достижения оптимальных рабочих характеристик прибор может помещаться в магнитное поле, перпендикулярное плоскости двумерного заряженного слоя.
Признаки, отличающие предлагаемый гетеродинный спектрометр от прототипа: наличие особого нелинейного элемента, состоящего из полупроводниковой наноструктуры с дефектом/дефектами различного типа. Дефектом является любая неоднородность в топологии или параметрах двумерной электронной системы или ее диэлектрического окружения: неоднородность концентрации в заряженном слое, поверхностные дефекты наноструктуры, изменение геометрических размеров двумерного заряженного слоя и т.д. Неоднородность концентрации в заряженном слое можно создавать, например, путем выборочного жидкого травления части поверхности полупроводникового кристалла, приводящего к удалению части доноров, поставляющих носителей заряда в двумерный слой. Также отличительным признаком изобретения является возможное функционирование прибора в магнитном поле, перпендикулярном плоскости двумерного заряженного слоя. Наличие магнитного поля приводит к существенному увеличению рабочей температуры прибора и расширяет диапазон разностной частоты. Эти признаки приводят к значительному увеличению рабочей температуры прибора (вплоть до 170 К), расширению разностной частоты (вплоть до 30 ГГц при температуре 80 К) и значительному упрощению системы охлаждения нелинейного рабочего элемента.
На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого гетеродинного спектрометра.
0
x
Гетеродинный спектрометр содержит элемент 1, смешивающий излучение известной частоты f 3 от калибровочного генератора 4 с исследуемым излучением 2 неизвестной частоты f. Нелинейный рабочий элемент 5 представляет собой полупроводниковую наноструктуру с, как минимум, двумя контактами 7 и 8 к двумерному заряженному слою 9. Сигнал фотонапряжения на разностной частоте измеряется прибором для измерения спектров 6. Сигнал фотонапряжения проистекает из резонансного возбуждения плазменных волн в двумерном электронном слое между контактом 7 и топологическим дефектом 10, представляющим собой резкое расширение двумерного заряженного слоя. Поскольку заявляемый гетеродинный спектрометр работает при пониженных температурах, то прибор включает в себя систему охлаждения 11 (например, азотное или Пельтье охлаждение). Прибор включает в себя источник магнитного поля 12.
0
0
0
0
0
0
Исследуемое излучение 2 смешивается с излучением известной частоты 3 f. Смешанное излучение возбуждает волны зарядовой плотности - магнитоплазмоны в заряженном двумерном слое 9 вблизи контактов 7 и 8. Магнитоплазмоны, возбужденные в приконтактных областях, разделенных расстоянием L, интерферируют друг с другом, приводя к сложному распределению электрических полей внутри нелинейного рабочего элемента 5. Амплитуда этих полей зависит от отношения L к длине волны магнитоплазмона, которая зависит от частоты падающего излучения, магнитного поля и концентрации носителей заряда в слое. В рабочем режиме магнитное поле от источника 12 подбирается таким образом, что амплитуда электрических полей внутри прибора на частоте калибровочного излучения 3 максимальна. Переменные плазменные электрические поля выпрямляются за счет нелинейного поведения рабочего элемента, которое может быть вызвано, например, нелинейными свойствами потенциальных контактов или иной нелинейностью, например, связанной с наличием в системе дефектов различного типа (на фиг.1 дефектом является топологическая неоднородность 10). В результате между контактами 7 и 8 рабочего элемента 5 образуется сигнал фотонапряжения, являющийся суперпозицией постоянного напряжения и напряжения на разностной частоте смешиваемых сигналов. Чем больше разностная частота, тем хуже выпрямляющие свойства рабочего элемента 5 на этой частоте. Разностная частота, на которой рабочий элемент 5 прекращает выпрямлять, называется его критической разностной частотой Δf. Спектральный анализ сигнала фотонапряжения с контактов нелинейного рабочего элемента, выполняемый прибором для измерения спектров 6, позволяет получить полную информацию о спектре исследуемого излучения в частотном диапазоне от f-Δf до f+Δf.
S
S
0
0
x
0
x
0
11
-2
6
2
В тестовых экспериментах использовалась структура в форме Холловского мостика с размером области для интерференции магнитоплазмонов L=0.2 мм. Концентрация (n) и подвижность носителей заряда (электронов - µ) в двумерном слое при гелиевой температуре составляли n=1.4×10 см и µ=10 см/В с. Частота калибровочного источника излучения (f) равнялась f=49.62 ГГц. В качестве неизвестного источника излучения использовался микроволновый генератор. Сигнал с пары ближайших контактов 7 и 8 по коаксиальному кабелю передавался на вход прибора для измерения спектров 6. На фиг.2 представлены спектры, снятые при различных частотах f. Видно, что сигнал фотонапряжения с контактов рабочего элемента имеет резонансный отклик на частоте Δf=f-f. Заметим, что на частотах 2Δf и 3Δf отклик элемента отсутствует, подтверждая предположение, что его нелинейность носит в основном квадратичный характер. Эксперименты были проведены при температуре на рабочем элементе 4.2 К и магнитном поле 0.5 Т. Фиг.3 демонстрирует поведение коэффициента преобразования от разностной частоты Δf для двух значений температуры 1.5 К и 80 К. Из фиг.3, например, легко извлечь критическую разностную частоту рабочего элемента Δf=30 ГГц для температуры рабочего элемента 80 К. Эксперименты проводились при перпендикулярном магнитном поле 0.5 Т.
0
x
Температурная зависимость исследуемого эффекта показана на фиг.4. Частота калибровочного излучения составляла f=49.62 ГГц, частота неизвестного излучения f=48 ГГц. Эксперименты проводились при перпендикулярном магнитном поле 0.5 Т. Амплитуда фотоотклика рабочего элемента уменьшается в три раза при нагревании системы от гелиевых температур (4.2 К) до азотных (77 К) и в двадцать раз при нагревании до температур 150 К. Падение амплитуды фотоотклика с температурой связано с уменьшением длины пробега краевого магнитоплазмона и, как следствие, снижением амплитуды проинтерферировавших плазменных волн. Увеличить температурный диапазон работы элемента можно повысив длину пробега плазмона. Длина пробега пропорциональна электронной концентрации и транспортному времени электронной релаксации.