Модулятор инфракрасного излучения
Полезная модель относится к оптоэлектронике. Модулятор содержит рабочий оптический элемент, выполненный из композиционной смеси порошка манганита A1-хВхМnО3 , обладающего эффектом магнитопропускания вблизи температуры Кюри, в котором трехвалентный редкоземельный металл A, в качестве которого используют элементы La, Pr, Nd или сочетания этих металлов, частично замещен одно- или двухвалентным металлом B, в качестве которого используют Na, K, Ag, Ca, Sr, Ba, Pb, со степенью замещения х
0.5, взятого в количестве 0.1-10 мас.%, и диэлектрика, прозрачного в инфракрасном диапазоне, взятого в остальном количестве. Порошок манганита А1-хВхМnО3 с х0.5 имеет размер зерна от 100 нм до 20 мкм. Порошок манганита A1-хВхМnО3 с x=0.5 имеет размер зерна от 10 до 100 нм. В качестве диэлектрика, прозрачного в инфракрасном диапазоне, используют KBr, CsI, или ИК стекла. Технический результат - расширение арсенала модуляторов ИК излучения, работающих на эффекте магнитопропускания в манганитах, а так же удешевление и упрощение магнитооптического
3 з.п., 6 ил.
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).
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 ТС) [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:
(IH-I H=0)/IH=0,
где IH - интенсивность прошедшего излучения в магнитном поле Н,
IH=0 - 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:
IH,H=0=I0(1-R) 2exp(-d·
H,H=0),
где I0 - интенсивность падающего излучения,
R - коэффициент отражения,
d - толщина пластины (монокристалла, пленки) магнитного полупроводника,
H и H=0 - коэффициент поглощения в магнитном поле Н и без магнитного поля, соответственно.
Физическая причина существования эффекта магнитопропускания (магнитопоглощения) в дырочно-легированных манганитах с общей формулой A1-x BxMnO3, 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 х0.5, заключается в следующем: при магнитном фазовом переходе из парамагнитного состояния в ферромагнитное вблизи ТC 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 ТС 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 La 0.7Ca0.3MnO3 и составлял ~28% при Т=TC=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 La0.67Ca0.33MnO3 film near the Curie temperature. // J.Appl. Phys. 2002. V.91. P.4403).
Наиболее близким к заявленному техническому решению является модулятор ИК излучения, содержащий рабочий оптический элемент, выполненный из двух и более слоев манганита A1-xB xMnO3, 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:
- в результате выполнения магнитооптического элемента модулятора из эпитаксиальной пленки на монокристаллической подложке происходит уменьшение величины эффекта магнитопропускания и температуры его существования за счет уменьшения TC 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 La0.67Cr0.33MnO3 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
Поставленная задача решается тем, что в модуляторе ИК излучения, содержащем рабочий магнитооптический элемент, выполненный из материала, включающего манганит A1-xBx MnO3, 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 х0.5, помещенный в источник управляющего магнитного поля, согласно изобретению, материал рабочего магнитооптического элемента состоит из композиционной смеси порошка манганита А1-х ВхMnО3 и диэлектрика, прозрачного в инфракрасном диапазоне.
При этом:
- содержание порошка манганита A1-хВхМnО3 в композиционной смеси составляет 0.1-10 мас.%, диэлектрик, прозрачный в ИК диапазоне - остальное;
- порошок манганита A1-хВхМnО3 с х0.5 имеет размер зерна от 100 нм до 20 мкм;
- порошок манганита A1-хВхМnО3 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.
Причем модулятор на основе порошка манганита A 1-хВхМnО3 с x0.5 с размером частиц порошка более 100 нм (далее крупнозернистого порошка) может работать в узком температурном интервале вблизи TC, а модулятор на основе порошка манганита A 1-хВхМnО3 с x=0.5 с размером частиц порошка манганита менее 100 нм (далее нанопорошка) может работать в широком температурном интервале ниже TC .
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.
В магнитооптическом элементе, выполненном из композиционной смеси, содержащей крупнозернистый порошок манганита A1-хВхМnO3 с х0.5, эффект магнитопропускания сопоставим с эффектом, получаемым в магнитооптическом элементе, выполненном из эпитаксиальной пленки манганита A1-хВхМnО3 такого же состава, выращенной на монокристаллической подложке.
Использование для рабочего магнитооптического элемента нанопорошка, манганита A1-хВхМnО3 с x=0.5 обеспечивает существование эффекта магнитопропускания не только вблизи TC, но и в широком температурном интервале существенно ниже TC (как минимум до температуры Т=90 K). Расширение температурного интервала существования эффекта магнитопропускания в магнитооптическом элементе, выполненном из композиционной смеси, содержащей нанопорошок манганита A 1-хВхМnО3 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 TC объемного манганита.
Таким образом, рабочий температурный интервал заявляемого модулятора ИК излучения, работающего на эффекте магнитопропускания, содержащего оптический элемент, выполненный из композиционной смеси, содержащей нанопорошок манганита A1-хВхМnО3 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.
Предложенный модулятор ИК излучения с новым композитным материалом для магнитооптического элемента, работающий в широком температурном интервале, на основе нанопорошка манганита A1-хВхМnО3 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.
Магнитооптический элемент заявляемого модулятора из крупнозернистого порошка манганита La0.7Ca0.3МnО3 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.
В другом примере осуществления модулятора, где в композиционной смеси, из которой выполнен магнитооптический элемент, крупнозернистый порошок манганита La0.7Ca 0.3MnO3 заменен на нанопорошок манганита Nd 0.5Sr0.5MnO3, 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;
на фиг.3 - температурная зависимость эффекта магнитопропускания композиционной смеси из крупнозернистого порошка манганита La0.7Са0.3 МnО3 и прозрачной матрицы CsJ, измеренная в магнитном поле 8 кЭ, при длине волны 6 мкм;
на фиг.4 - спектральная зависимость эффекта магнитопропускания композиционной смеси из крупнозернистого порошка манганита La0.7СаO.3 МnО3 и прозрачной матрицы CsJ, измеренного в магнитном поле 8 кЭ при температуре максимального значения эффекта, т.е. при Т=213 К;
на фиг.5 - температурные зависимости эффекта магнитопропускания композиционной смеси из крупнозернистого порошка манганита Nd0.5Sr0.5MnO3 и прозрачной матрицы CsJ (кривая 1) и из нанопорошка манганита Nd0.5Sr0.5MnO3 и прозрачной матрицы CsJ (кривая 2), измеренные в магнитном поле 8 кЭ, при длине волны 6 мкм;
на фиг.6 - спектральные зависимости эффекта магнитопропускания композиционной смеси из нанопорошка манганита Nd0.5Sr0.5MnO3 и прозрачной матрицы CsJ, измеренные при T=TC=230 К (кривая 1) и при Т=90 K (кривая 2) в магнитном поле 8 кЭ.
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 La0.7Ca0.3MnO3 или Nd0.5Sr0.5MnO3 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 
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 2 магнитного поля катушки 4.
Температура Кюри порошка манганита La0.7Са0.3МnО 3 составляет TC~213 K. Температурная зависимость магнитопропускания композиционной смеси из La0.7Са 0.3МnО3 2 мг и CsJ 400 мг (фиг.3) имеет максимум при TC порошка манганита. Модулятор ИК излучения с магнитооптическим элементом 1, выполненным из композиционной смеси, содержащей порошок La0.7Са0.3МnО 3, 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 La0.67Ca0.33 MnO3 film near the Curie temperature. // J.Appl. Phys. 2002. V.91. P.4403).
Температура Кюри крупнозернистого порошка манганита Nd0.5Sr0.5MnO3 составляет TC~245 K, нанопорошка манганита Nd 0.5Sr0.5MnO3 - TC~215 K. Использование нанопорошка манганита Nd0.5Sr 0.5MnO3 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 TC до 90 K (фиг.5). При этом спектральный рабочий интервал в TC 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.
1. Модулятор инфракрасного излучения, содержащий рабочий магнитооптический элемент, выполненный из материала, включающего манганит А 1-xBxMnO3, 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 х0,5, помещенный в источник управляющего магнитного поля, отличающийся тем, что материал рабочего магнитооптического элемента состоит из композиционной смеси порошка манганита A1-x BxMnO3 и диэлектрика, прозрачного в инфракрасном диапазоне, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| порошок манганита A1-xBx MnO3, | 0,1-10 |
| диэлектрик, прозрачный в инфракрасном диапазоне | остальное |
2. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что порошок манганита A1-xBxMnO 3 с х0,5 имеет размер зерна от 100 нм до 20 мкм.
3. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что порошок манганита A1-x BxMnO3 с x=0,5 имеет размер зерна от 10 до 100 нм.
4. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрика, прозрачного в инфракрасном диапазоне, используют KBr, CsI или ИК стекла.
