Устройство регистрации ик-излучения

Полезная модель относится к области интегральной оптики и может быть использована в системах обнаружения объектов, измерения распределения температуры, для визуализации ИК-изображений широкого спектрального диапазона и т.д. Цель полезной модели - повышение чувствительности с одновременным обеспечением ее стабильности во всем спектральном диапазоне регистрируемого излучения. Для достижения указанной цели устройство регистрации ИК-излучения, содержащее объектив, оптически связанный с матрицей преобразующих элементов, расположенной на диэлектрическом основании, объединенных по строкам и столбцам волноводами, причем волноводы строк оптически связаны с линейкой фотоприемников, а волноводы столбцов - с соответствующими элементами излучения линейки лазеров, каждый из которых имеет свою частоту излучения, совпадающую с собственной резонансной частотой преобразующего элемента соответствующего столбца, блок обработки информации, электрически подключенный к линейке лазеров и линейке фотоприемников, термостат, приведенный в тепловой контакт с матрицей преобразующих элементов, преобразующий элемент выполнен в виде диэлектрического микрокольцевого резонатора, нижняя и верхняя поверхность которого покрыта буферным слоем, на верхнем буферном слое расположена структура, поглощающая ИК-излучение, содержащая диэлектрическую мембрану, внутри которой сформированы металл-диэлектрические наноструктуры, а на внешней поверхности расположены электрически соединенные напротив внутреннего участка диэлектрического основания металлические нанорезонаторные элементы и соответствующие тепловые детекторы - напротив диэлектрического кольцевого резонатора, при этом длина и ширина металлических нанорезонаторных элементов и соответствующих тепловых детекторов выбраны равными или кратными длинам волн регистрируемого спектрального диапазона, сверху на тепловых детекторах и металлических нанорезонаторных элементах расположена ортогональная дифракционная решетка. Для эффективного решения поставленной технической задачи оптическая толщина диэлектрической мембраны вместе с ортогональной дифракционной решеткой выполнена соответственно равной ₁/4, где ₁ - центральная длина волны регистрируемого излучения в одном из окон прозрачности атмосферы. Для эффективного решения поставленной технической задачи размеры поперечного сечения диэлектрических микрокольцевых резонаторов не превышают 1/3 длины волны излучения соответствующего элемента линейки лазеров. Для эффективного решения поставленной технической задачи металлические нанорезонаторные элементы вместе с тепловыми детекторами выполнены в виде треугольных форм, обеспечивающих максимально плотное покрытие всей поверхности структуры, поглощающей инфракрасное излучение. Для эффективного решения поставленной технической задачи поверхность ортогональных дифракционных решеток представляет собой набор штрихов, расположенных по двум взаимно перпендикулярным направлениям с минимальными пространственными периодами соответственно T ₁ и Т₂, заданными выражениями:

Т₁=₁ и Т₂=₂,

где ₁ и ₂ - длины волн электромагнитного излучения, распространяющегося параллельно поверхности структуры поглощающей ИК-излучение.

Полезная модель относится к области интегральной оптики и может быть использована в системах обнаружения объектов, измерения распределения температуры, для визуализации ИК-изображений широкого спектрального диапазона и т.д.

Известно устройство преобразования ИК-изображений в видеосигнал [1], которое состоит из объектива, оптически связанного с фоточувствительным прибором с зарядовой связью (фотоматрицей ПЗС-элементов с барьерами Шоттки), соединенным с холодильником и подключенным к блоку аналоговой обработки, который связан с блоком аналого-цифрового преобразования, последний соединен с блоком цифровой обработки, который связан с цифро-аналоговым преобразователем, причем элементы устройства, кроме объектива и холодильника соединены с блоком управления.

Данное устройство имеет низкие помехозащищенность и чувствительность.

Наиболее близким по технической сущности является устройство преобразования ИК-изображений в видеосигнал [2], содержащее линейку фотоприемников, линейку лазеров, блок обработки информации, термостат, объектив, оптически связанный с матрицей преобразующих элементов, которые выполнены на основе микродисковых резонаторов, объединенных по строкам и столбцам волноводами, причем входы волноводов столбцов оптически связаны с соответствующими элементами излучения линейки лазеров, каждый из которых имеет свою частоту излучения, собственные резонансные частоты микродисковых резонаторов каждого столбца равны частоте излучения соответствующего элемента излучения линейки лазеров, а волноводы строк оптически соединены с линейкой фотоприемников, электрически подключенной к блоку обработки информации, электрически соединенному с линейкой лазеров, при этом матрица микродисковых резонаторов имеет тепловой контакт с термостатом.

Устройство не обеспечивает стабильного значения чувствительности на разных длинах волн во всем спектральном диапазоне регистрируемого излучения из-за разных значений коэффициентов отражения отдельных длин электромагнитных волн на входе.

Техническая задача - повышение чувствительности с одновременным обеспечением ее стабильности во всем спектральном диапазоне регистрируемого излучения.

Поставленная техническая задача достигается тем, что устройство, содержащее объектив, оптически связанный с матрицей преобразующих элементов, расположенной на диэлектрическом основании, объединенных по строкам и столбцам волноводами, причем волноводы строк оптически связаны с линейкой фотоприемников, а волноводы столбцов - с соответствующими элементами излучения линейки лазеров, каждый из которых имеет свою частоту излучения, совпадающую с собственной резонансной частотой преобразующего элемента соответствующего столбца, блок обработки информации, электрически подключенный к линейке лазеров и линейке фотоприемников, термостат, приведенный в тепловой контакт с матрицей преобразующих элементов, преобразующий элемент выполнен в виде диэлектрического микрокольцевого резонатора, нижняя и верхняя поверхность которого покрыта буферным слоем, на верхнем буферном слое расположена структура, поглощающая ИК-излучение, содержащая диэлектрическую мембрану, внутри которой сформированы металл-диэлектрические наноструктуры, а на внешней поверхности расположены электрически соединенные напротив внутреннего участка диэлектрического основания металлические нанорезонаторные элементы и соответствующие тепловые детекторы - напротив диэлектрического кольцевого резонатора, при этом длина и ширина металлических нанорезонаторных элементов и соответствующих тепловых детекторов выбраны равными или кратными длинам волн регистрируемого спектрального диапазона, сверху на тепловых детекторах и металлических нанорезонаторных элементах расположена ортогональная дифракционная решетка.

Для эффективного решения поставленной технической задачи оптическая толщина диэлектрической мембраны вместе с ортогональной дифракционной решеткой выполнена соответственно равной ₁/4, где ₁ - центральная длина волны регистрируемого излучения в одном из окон прозрачности атмосферы.

Для эффективного решения поставленной технической задачи размеры поперечного сечения диэлектрических микрокольцевых резонаторов не превышают 1/3 длины волны излучения соответствующего элемента линейки лазеров.

Для эффективного решения поставленной технической задачи металлические нанорезонаторные элементы вместе с тепловыми детекторами выполнены в виде треугольных форм, обеспечивающих максимально плотное покрытие всей поверхности структуры, поглощающей инфракрасное излучение.

Для эффективного решения поставленной технической задачи поверхность ортогональных дифракционных решеток представляет собой набор штрихов, расположенных по двум взаимно перпендикулярным направлениям с минимальными пространственными периодами соответственно T₁ и T₂, заданными выражениями:

T₁=₁ и Т₂=₂,

где ₁ и ₂ - длины волн электромагнитного излучения, распространяющегося параллельно поверхности структуры поглощающей ИК излучение.

Совокупность указанных признаков в предлагаемой полезной модели позволяет достичь одинаковую максимально возможную чувствительность во всем частотном диапазоне регистрируемого излучения за счет сохранения высокого значения коэффициента поглощения на всех длинах волн спектрального диапазона регистрируемого излучения.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой приведена структурная схема устройства, фиг.2, на которой представлен вид сверху на преобразующий элемент, и фиг.3, на которой представлен разрез преобразующего элемента, где

1 - объектив,

2 - диэлектрическое основание,

3 - матрица преобразующих элементов

4 - линейка лазеров,

5 - волноводы столбцов,

6 - волноводы строк,

7 - линейка фотоприемников,

8 - термостат,

9 - блок обработки информации,

10 - преобразующий элемент,

11 - диэлектрический микрокольцевой резонатор,

12 - верхний буферный слой,

13 - нижний буферный слой,

14 - структура, поглощающая ИК излучение,

15 - диэлектрическая мембрана,

16 - металл-диэлектрические наноструктуры,

17 - металлические нанорезонаторные элементы,

18 - тепловые детекторы,

19 - ортогональная дифракционная решетка.

В устройстве регистрации ИК-излучения (фиг 1) объектив 1 оптически связан с матрицей преобразующих элементов 3, расположенной на диэлектрическом основании 2 и проецирует на нее регистрируемое инфракрасное излучение. Каждый элемент излучения линейки лазеров 4, оптически соединен через волноводы столбцов 5 с соответствующими преобразующими элементами 10. Преобразующий элемент 10 представляет собой диэлектрический микрокольцевой резонатор 11, нижняя и верхняя поверхность которого покрыта нижним 13 и верхним 12 буферными слоями, на верхнем буферном слое 12 расположена структура, поглощающая ИК излучение 14, содержащая диэлектрическую мембрану 15, внутри которой сформированы металл-диэлектрические наноструктуры 16, а на внешней поверхности расположены электрически соединенные напротив внутреннего участка диэлектрического основания 2 металлические нанорезонаторные элементы 17 и соответствующие тепловые детекторы 18 напротив диэлектрического микрокольцевого резонатора 11, при этом длина и ширина металлических нанорезонаторных элементов 17 и соответствующих тепловых детекторов 18 выбраны равными или кратными длинам волн регистрируемого спектрального диапазона. Сверху структуры, поглощающей ИК излучение 14, расположена ортогональная дифракционная решетка 19.

В конкретном исполнении объектив 1 - это набор линз из германия. Преобразующий элемент 10 матрицы 3 представляет собой диэлектрический микрокольцевой резонатор 11, выполнен по интегральной технологии из высокоомного Si и расположен между нижним 13 и верхним 12 буферными слоями, выполненными из SiO₂ толщиной 0,5 мкм, при этом на верхнем 12 буферном слое методами интегральной технологии выполнена диэлектрическая мембрана 15 из окиси кремния, в которой методом регулируемого электроннолучевого испарения окиси кремния и никеля выполнена металл-диэлектрическая наноструктура 16. Размеры частиц никеля - 10 нм заданы температурным режимом испарения. На верхней поверхности диэлектрической мембраны 15 методами вакуумного напыления и фотолитографии напротив внутреннего участка диэлектрического основания 2 нанесены металлические нанорезонаторные элементы 17 из никеля толщиной 50 нм и соответственно напротив диэлектрических микрокольцевых резонаторов 11 - тепловые детекторы 18 из нихрома толщиной 60 нм. Ортогональные дифракционные решетки 19, выполнены методом фотолитографического плазмохимического травления слоя окиси кремния, который предварительно был нанесен по вакуумной технологии. Линейка лазеров 4 - это набор полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью, генерирующих набор длин волн в диапазоне от 1,3 мкм до 1,51 мкм, соответствующих рабочему спектральному диапазону частот линейки фотоприемников 7. Волноводы столбцов 5 и строк 6 - это оптические планарные волноводы шириной 0,8 мкм из Si, выполненные по интегральной технологии аналогично диэлектрическим микрокольцевым резонаторам 11. Длины участков оптического взаимодействия волноводов столбцов 5 и диэлектрических микрокольцевых резонаторов 11 определяют коэффициенты ответвления излучения в них. Расположение волноводов столбцов 5 и волноводов строк 6 выбирается из условия эффективного экранирования линеек лазеров 4 и фотоприемников 7. Линейка фотоприемников 7 выполнена по стандартной технологии. Волноводы строк 6 выполнены сужающимися в местах ввода излучения в линейку фотоприемников 7 [3]. Термостат 8 выполнен аналогично блоку термостабилизации задающего кварцевого генератора в частотомере и имеет аналогичное назначение. Блок обработки информации 9 - это набор серийно выпускаемых линейных и цифровых схем.

Работает устройство следующим образом (фиг.1, 2, 3). В линейке лазеров 4 включается первый элемент (все элементы излучения линейки лазеров 4 имеют различные частоты излучения, используемого для считывания информации), и его излучение с длиной волны, например, ₁=1.3 мкм поступает в волновод 5 первого столбца матрицы преобразующих элементов 3. Тем самым, в каждый из диэлектрических микрокольцевых резонаторов 11 первого столбца, имеющих собственную резонансную частоту, соответствующую частоте излучения этого элемента, поступает мощность оптического сигнала, равная P ₁×k_i где Р₁ - выходная мощность первого элемента из линейки лазеров 3, a k_i - коэффициенты ответвления лазерного излучения, задаваемые длиной участков оптического взаимодействия волновода 5 первого столбца с диэлектрическими микрокольцевыми резонатороми 11, принадлежащих этому столбцу, где i=1m, a m - число столбцов устройства. Так как резонансные частоты диэлектрических микрокольцевых резонаторов 11 каждого столбца отличаются друг от друга, то сигналы первого столбца по волноводам строк 6 без ответвлений поступают на линейку фотоприемников 7 и затем, преобразованные в соответствующие электрические сигналы - в блок обработки информации 9. После этого включается второй элемент линейки лазеров 4 с излучением на длине волны ₂, отличающейся от ₁, и все происходит аналогично, как описано выше. Точно также все остальные элементы линейки лазеров 4 включаются последовательно друг за другом. В результате в блоке обработки информации 9 сформируется видеосигнал, содержащий информацию о разбросе параметров всех преобразующих элементов 10 и о температурном фоне. Затем через объектив 1 на поверхность матрицы преобразующих элементов 3 поступает регистрируемое ИК-излучение, спектральный диапазон которого находится в пределах от 2 мкм до L_{i max} , где L_{i max} - максимальный из линейных размеров металлических нанорезонаторных элементов 17. Весь этот спектр регистрируемого ИК-излучения поступает на поверхность ортогональных дифракционных решеток 19 и взаимодействует с их двумерной периодической структурой. При этом, регистрируемое электромагнитное излучение с длинами волн в окрестности ₁ отклоняется и распространяется по первому направлению I вдоль поверхности металлических нанорезонаторных элементов 17, эффективно поглощаясь ими. Аналогично регистрируемое излучение с длинами волн в окрестности ₂ распространяется по второму направлению II вдоль поверхности металлических нанорезонаторных элементов 17, эффективно поглощаясь ими. А регистрируемое электромагнитное излучение с длинами волн, отличающимися от ₁ и ₂ распространяется внутрь структуры поглощающей ИК-излучение 14. Так как общая оптическая толщина ортогональных дифракционных решеток 19 и диэлектрической мембраны 15 равна ₀/4, то части регистрируемого электромагнитного излучения с длинами волн в окрестности ₀ отражаясь от металл-диэлектрической наноструктуры 16, интерферирует в противофазе с излучением, отразившимся от поверхности структуры поглощающей ИК-излучение 14. В результате электромагнитное излучение на длине волны в окрестности ₀ практически не отражается от преобразующих элементов 10. В процессе рассмотренного поглощения регистрируемого ИК-излучения в металлических нанорезонаторных элементах 17 возникают переменные электрические поля соответствующих частот, вызывающих движение электрических зарядов через тепловые детекторы 18. Вследствие чего происходит нагревание тепловых детекторов 18. Изменение температуры тепловых детекторов 18, при указанных геометрических размерах элементов устройства, за единицы миллисекунд эффективно передается через диэлектрическую мембрану 15 и тонкие верхние буферные слои 12 в диэлектрические микрокольцевые резонаторы 11. Нагревание последних приводит к изменению их линейных размеров и оптической длины. Следовательно светопропускание каждого диэлектрического микрокольцевого резонатора 11 изменится пропорционально падающей на него интенсивности регистрируемого излучения. После аналогичного сканирования всей матрицы преобразующих элементов 3 в блоке обработки информации 9 получим видеосигнал, содержащий информацию о разбросе параметров всех преобразующих элементов 10, температурном фоне и распределении интенсивности регистрируемого ИК-излучения. После обработки обоих видеосигналов в блоке 9, получаем видеосигнал, содержащий только информацию о распределении интенсивности регистрируемого ИК-излучения. Термостат 7 поддерживает работу устройства в линейном режиме.

В предлагаемой полезной модели достигается одинаковая максимально возможная чувствительность во всем частотном диапазоне регистрируемого излучения за счет сохранения высокого значения коэффициента поглощения на всех длинах волн этого спектрального диапазона.

Источники, используемые в описании:

1. В.А.Арутюнов, И.С.Васильев, В.Г.Иванов и др. Перспективы разработок монолитных охлаждаемых матричных ИК-приборов для комплексированных многоспектральных систем обнаружения в диапазоне 1,5-5 и 8-12 мкм.

2. Патент РБ 10398. 2008 г - прототип.

3. О.Парос, В.А.Сычугов, А.Е.Тихомиров и др. Оптимизация решеточного узла ввода-вывода излучения из тонкопленочного волновода, сформированного на кремниевой подложке // Квантовая электроника. 1994. Т.21, 11, с.1089-1092.

1. Устройство регистрации ИК-излучения, содержащее объектив, оптически связанный с матрицей преобразующих элементов, расположенной на диэлектрическом основании, объединенных по строкам и столбцам волноводами, причем волноводы строк оптически связаны с линейкой фотоприемников, а волноводы столбцов - с соответствующими элементами излучения линейки лазеров, каждый из которых имеет свою частоту излучения, совпадающую с собственной резонансной частотой преобразующего элемента соответствующего столбца, блок обработки информации, электрически подключенный к линейке лазеров и линейке фотоприемников, термостат, приведенный в тепловой контакт с матрицей преобразующих элементов, отличающееся тем, что преобразующий элемент выполнен в виде диэлектрического микрокольцевого резонатора, нижняя и верхняя поверхность которого покрыта буферным слоем, на верхнем буферном слое расположена структура, поглощающая ИК-излучение, содержащая диэлектрическую мембрану, внутри которой сформированы металлдиэлектрические наноструктуры, а на внешней поверхности расположены электрически соединенные напротив внутреннего участка диэлектрического основания металлические нанорезонаторные элементы и соответствующие тепловые детекторы - напротив диэлектрического кольцевого резонатора, при этом длина и ширина металлических нанорезонаторных элементов и соответствующих тепловых детекторов выбраны равными или кратными длинам волн регистрируемого спектрального диапазона, сверху на тепловых детекторах и металлических нанорезонаторных элементах расположена ортогональная дифракционная решетка, причем оптическая толщина диэлектрической мембраны вместе с ортогональной дифракционной решеткой каждого преобразующего элемента выполнена соответственно равной ₁/4, где ₁ - центральная длина волны регистрируемого излучения в одном из окон прозрачности атмосферы.

2. Устройство регистрации ИК-излучения по п.1, отличающееся тем, что размеры поперечного сечения диэлектрических микрокольцевых резонаторов не превышают 1/3 длины волны излучения соответствующего элемента линейки лазеров.

3. Устройство регистрации ИК-излучения по п.1, отличающееся тем, что металлические нанорезонаторные элементы вместе с тепловыми детекторами выполнены в виде треугольных форм, обеспечивающих максимально плотное покрытие всей поверхности структуры, поглощающей инфракрасное излучение.

4. Устройство регистрации ИК-излучения по п.1, отличающееся тем, что поверхность ортогональной дифракционной решетки представляет собой набор штрихов, расположенных по двум взаимно перпендикулярным направлениям с минимальными пространственными периодами T₁ и T ₂, заданными соответственно выражениями:

T₁ =₁ и Т₂=₂,

где ₁ и ₂ - длины волн электромагнитного излучения, распространяющегося параллельно поверхности структуры поглощающей ИК-излучение.