Дефлектор инфракрасного излучения

Предлагаемое устройство относится к контрольно-измерительной технике а также может быть использовано в медицине для точных хирургических операций.

Дефлектор инфракрасного (ИК) излучения, содержащий источник ИК излучения с модулятором, фотоприемник с микрометрическим датчиком и измерительным блоком, установленными позади выходного диэлектрического окна, и фокусирующую систему, которая установлена впереди входного диэлектрического окна криостата так, что ось падающего ИК луча и фокусирующей системы совпадает с осью симметрии входного и выходного диэлектрического окна и полупроводниковой отклоняющей системы с двумя плоскими контактами, установленными внутри криостата заполненного хладогентом, отличающейся тем, что криостат выполнен в виде полого корпуса, на дне которого установлен держатель, на котором укреплена полупроводниковая отклоняющая система, выполненная в виде совокупности полупроводниковых слоев с изменяющимися показателями преломления, причем эти слои размещены так, что градиент показателя преломления в этих слоях перпендикулярен оси луча, а длина волны ИК излучения >_c - длины волны, соответствующей краю собственного поглощения полупроводников, из которых выполнена отклоняющая система, кроме того, контакты выполнены в виде плоскостей, параллельных данной оси, а к контактам подключен источник питания с напряжением U, удовлетворяющим условию eU<Е_ф, где е-заряд электрона, Е_ф-энергия фонона, кроме того, на дне корпуса выполнено выходное диэлектрическое окно, диаметр которого превышает диаметр ИК луча, прошедшего через полупроводниковую систему, а входное диэлектрическое окно выполнено в верхней стенке криостата съемным так, что его диаметр был не меньше диаметра ИК луча, прошедшего через фокусирующую систему.

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам, позволяющим отклонять инфракрасное (ИК) излучение лазера, и может найти применение для точного определения дефектов в различных структурах и в системах слежения.

Известен дефлектор ИК излучения(прототип-Антонов В.В., Гусаков В.В., Кац Л.И. «Отклонение ИК излучения в п-InSb при температурно-электрической неустойчивости в магнитном поле», Известия вузов, Физика, 1984, 11, с35-40.)служащий для тех же целей, что и предлагаемое устройство, включающее источник ИК излучения (лазер ЛГ-17), фотоприемник с микрометрическим датчиком, модулятор, измерительный блок, фокусирующую систему, криостат с хладогентом и окнами, отклоняющую полупроводниковую систему с контактами (образец), через которые на нее подается напряжение и магнит.

Недостатком этого устройства являются:

а) узкий динамический диапазон отклонения луча лазера.

б) присутствие магнитной системы, требующей дополнительной юстировки и питания.

Технической задачей изобретения является расширение динамического диапазона и упрощение самого устройства.

Техническая задача достигается тем, что дефлектор ИК излучения, содержащий источник ИК

излучения с модулятором, фотоприемник с микрометрическим датчиком и измерительным блоком, установленными позади выходного диэлектрического окна, и фокусирующую систему, которая установлена впереди входного диэлектрического окна криостата так, что ось падающего ИК луча и фокусирующей системы совпадает с осью симметрии входного и выходного диэлектрического окна и полупроводниковой отклоняющей системы с двумя плоскими контактами, установленными внутри криостата, заполненного хладогентом, в котором согласно полезной модели, криостат выполнен в виде полого корпуса, на дне которого установлен держатель, на котором укреплена полупроводниковая отклоняющая система, выполненная в виде совокупности полупроводниковых слоев с изменяющимися показателями преломления, причем эти слои размещены так, что градиент показателя преломления в этих слоях перпендикулярен оси луча, а длина волны ИК излучения >_с - длины волны, соответствующей краю собственного поглощения полупроводников, из которых выполнены отклоняющая система, кроме того, контакты выполнены в виде плоскостей, параллельных данной оси, а к контактам подключен питания с напряжением U, удовлетворяющим условию eU<Е_ф, где е-заряд электрона, Е_ф-энергия фонона, кроме того, на дне корпуса выполнено выходное диэлектрическое окно, диаметр которого превышает диаметр ИК луча, прошедшего через полупроводниковую систему, а входное диэлектрическое окно выполнено в верхней стенке криостата съемным так, что его диаметр был не меньше диаметра ИК луча, прошедшего через фокусирующую систему.

Отличие предлагаемой полезной модели от прототипа состоит в том, что, что криостат выполнен в виде полого корпуса, на дне которого установлен держатель, на котором укреплена полупроводниковая отклоняющая система, выполненная в виде совокупности полупроводниковых слоев с изменяющимися показателями преломления, причем эти слои размещены так, что градиент показателя преломления в этих слоях перпендикулярен оси луча, а длина волны ИК излучения >_с - длины волны, соответствующей краю собственного поглощения полупроводников, из которых выполнена отклоняющая система, кроме того, контакты выполнены в виде плоскостей, параллельных данной оси, а к контактам подключен источник питания с напряжением U, удовлетворяющим условию eU<Еф, где е-заряд электрона, Е _ф-энергия фонона, кроме того, на дне корпуса выполнено выходное диэлектрическое окно, диаметр которого превышает диаметр ИК луча, прошедшего через полупроводниковую систему, а входное диэлектрическое окно выполнено в верхней стенке криостата съемным так, что его диаметр был не меньше диаметра ИК луча, прошедшего через фокусирующую систему.

На фигуре изображена схема дефлектора ИК излучения. Устройство состоит из следующих элементов:

1 - источник ИК излучения с длиной волны .

2 - модулятор с частотой модуляции 1 кГц.

3 - фотоприемник.

4 - микрометрический датчик.

5 - измерительный блок.

6 - выходное диэлектрическое окно.

7 - фокусирующая система.

8 - входное диэлектрическое окно.

9 - полупроводниковая отклоняющая система.

10 - плоские контакты.

11 - криостат.

12 - хладогент.

13 - держатель.

14 - источник напряжения.

Принцип работы предлагаемой полезной модели.

Предлагаемая полезная модель содержит источник ИК излучения 1, которое модулируется модулятором 2 с частотой модуляции 1 кГц и фиксируется фотоприемником 3, перемещение которого регистрируется микрометрическим датчиком 4 и измерительным блоком 5, установленными позади выходного диэлектрического окна 6 так, что ось падающего ИК луча и фокусирующей системы 7 совпадают с осью симметрии входного диэлектрического окна 8 и полупроводниковой отклоняющей системы 9 с двумя плоскими контактами 10, установленной внутри криостата 11, заполненного хладогентом 12, на держателе 13, к которым подведено напряжение U от источника напряжения 14.

Работа устройства осуществляется следующим образом. Технология получения полупроводниковой отклоняющей системы 9 связана с методом молекулярно-лучевой эпитаксии и фотолитографии на основе соединений GaAs-GaP и их твердых растворов. Полупроводниковые системы, у которых осуществляется модуляция показателя преломления (ПП) на масштабе, сравнимом с длиной волны электромагнитного излучения, является в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений в физике твердого тела. Эти системы называются фотонными кристаллами (ФК). Свои классические электродинамические свойства они проявляют в условиях, когда реализуется при температуре хлладогента 12 (77К) в криостате 11 баллистический режим пролета электрона(БРПЭ). Это означает, что скорость электрона по порядку величины совпадает с среднетепловой скоростью и электроны движутся практически без столкновений, так как длина свободного пробега при низких температурах (77К)сильно возрастает. Важным условием выполнения БРПЭ является малоэнергетический режим пролета электрона. Этот режим реализуется при условий eU<Е_ф, где е - заряд электрона, U - напряжение источника 14, Е_ф - энергия фонона. При нарушении этого условия горячий электрон практически мгновенно испускает фонон, происходит рассеивание электронов на фононах и нарушается БРПЗ. В предлагаемом устройстве U<0,01B.

Таким образом, в полупроводниковых системах на основе GaAs - GaP, которые близки по своим параметрам, на длине d=0,5 мкм осуществляется модуляция ПП с градиентом, вдоль оси х, перпендикулярное плоским контактам 10, с учетом конкретных параметров полупроводников равным 6·10⁵ м^-1. Этот градиент осуществляется за счет градиента статической диэлектрической проницаемости (ДП) полупроводниковой отклоняющей системы, но он постоянен и не может управляться. На границе двух слоев с разной ДП выполняется равенство нормальной составляющей вектора электрического смещения:

₁E₁=₂E₂,

где _1,2 - ДП двух разных соседних слоев, Е_1,2 - напряженности электрического поля в этих слоях.

Согласно вышеприведенному уравнению электроны переходя из области с большей ДП в область с меньшей ДП приобретают большую скорость, а для электронного потока имеет место уравнению непрерывности:

n₁V₁=n₂V₂

где п_1,2 - концентрация электронов в первой и второй области,

V_1,2 - скорости электронов в этих областях.

Из уравнения непрерывности следует, что в области с большей скоростью концентрация электронов уменьшается и таким образом возникает градиент концентрации и группировка электронов. Внешним напряжением U можно управлять этой группировкой, уменьшая или увеличивая градиент концентрации электронов, который влияет на отклонение лазерного луча. Таким образом, создается полупроводниковая отклоняющая система, в которой наряду с градиентом статической ДП имеется управляемый градиент концентрации электронов. В случае слабого затухания, когда длина волны лазерного излучения больше длины волны, соответствующей краю собственного поглощения полупроводников _c, составляющих отклоняющую систему, имеет место вклад свободных электронов в действительную часть показателя преломления согласно формуле:

N²=-ne²/m₀²

где - статическая ДП, ₀ - электрическая постоянная, е - заряд электрона, m - эффективная масса электрона, п - концентрация свободных носителей (п=2 10¹⁹ см^-3), - частота, соответствующая длине волны лазерного излучения (=10,6 мкм), на которой затухание для системы GaAs-GaP мало. За счет градиента концентрации свободных электронов в полупроводниковой отклоняющей системе при слабом затухании создается управляемый напряжением U градиент ПП. Угол отклонения определяется по формуле:

=lgrad N

где l - длина пути луча лазера в полупроводниковой отклоняющей системе (l=0,1 мм)по оси у, N - показатель преломления, зависящий от координаты х. Исходя из справочных данных [К.В.Шалимова. Физика полупроводников. М. Энергия, 1976] для системы GaAs-GaP можно оценить общий угол отклонения луча лазера. При расчете использовали среднее значение , m, N для неоднородной системы, так как параметры полупроводников входящих в систему очень близки, а дифференциалы от по х и от п по х заменили приращением этих величин на длине 0,5 мкм, которая и представляет собой толщину отклоняющей системы. Окончательно имеем:

=60°-50°,

где первое слагаемое определяется градиентом статической ДП, а второе-определяется градиентом концентрации электронов, причем второе слагаемое - это переменная величина, зависящая от напряжения U. Таким образом полупроводниковая отклоняющая система на основе GaAs-GaP при определенных условиях, является составным элементом в дефлекторе лазерного излучения с управляемыми характеристиками

Полупроводниковая отклоняющая система закрепляется держателем 13 в корпусе криостата так, чтобы источник ИК излучения 1 (лазер ЛГ-17), модулятор 2, фокусирующая система 7, входное и выходное диэлектрические окна 8 и 6, фотоприемник 3 находились на одной оси симметрии (ось у). Корпус криостата через съемное входное диэлектрическое окно заполняется хладогентом, имеющим температуру 77К. К плоским контактам подводится напряжение U, которое управляет отклонением луча лазера. Регистрация отклонения производится микрометрическим датчиком 4 и измерительным блоком - 5. Таков принцип и сущность работы предлагаемого дефлектора. Измерительный блок, модулятор, микрометричеекий датчик, фотоприемник и диэлектрические окна в криостате были такими же и использованы в таком же качестве, что и в прототипе, но размеры окон соответствовали размерам полупроводниковой отклоняющей системы в направлений х.

Технико-экономические преимущества

Преимущества предлагаемой полезной модели по сравнению с прототипом следующие:

а) предлагаемое устройство проще в эксплуатации за счет исключения магнитной системы и использование более простой конструкции криостата и обладает меньшими размерами.

б) за счет большего градиента концентрации электронов управляемый угол отклонения луча лазер больше (50°), чем в прототипе (32°), кроме того, за счет градиента статической ДП увеличиваются фиксированный угол отклонения луча на 60°, что расширяет функциональные возможности предлагаемого дефлектора.

Дефлектор инфракрасного (ИК) излучения, содержащий источник ИК излучения с модулятором, фотоприемник с микрометрическим датчиком и измерительным блоком, установленными позади выходного диэлектрического окна, и фокусирующую систему, которая установлена впереди входного диэлектрического окна криостата так, что ось падающего ИК луча и фокусирующей системы совпадает с осью симметрии входного и выходного диэлектрического окна и полупроводниковой отклоняющей системы с двумя плоскими контактами, установленными внутри криостата, заполненного хладагентом, отличающийся тем, что криостат выполнен в виде полого корпуса, на дне которого установлен держатель, на котором укреплена полупроводниковая отклоняющая система, выполненная в виде совокупности полупроводниковых слоев с изменяющимися показателями преломления, причем эти слои размещены так, что градиент показателя преломления в этих слоях перпендикулярен оси луча, а длина волны ИК излучения >_c - длины волны, соответствующей краю собственного поглощения полупроводников, из которых выполнена отклоняющая система, кроме того, контакты выполнены в виде плоскостей, параллельных данной оси, а к контактам подключен источник питания с напряжением U, удовлетворяющим условию eU<Е_ф, где е - заряд электрона, Е_ф - энергия фонона, кроме того, на дне корпуса выполнено выходное диэлектрическое окно, диаметр которого превышает диаметр ИК луча, прошедшего через полупроводниковую систему, а входное диэлектрическое окно выполнено в верхней стенке криостата съемным так, что его диаметр был не меньше диаметра ИК луча, прошедшего через фокусирующую систему.