Модулятор инфракрасного излучения

Полезная модель относится к области оптоэлектроники и направлена на усиление интенсивности излучения на выходе рабочего оптического элемента модулятора инфракрасного излучения. Указанный технический результат достигается тем, что модулятор инфракрасного излучения содержит рабочий оптический элемент выполненный из n - слоев (n2) манганитов, обладающих эффектом магнитопропускания, разными температурами Кюри и расположенными на прозрачной подложке из монокристалла. Между соседними слоями манганитов расположен дополнительный слой, выполненный из прозрачного в инфракрасной области спектра диэлектрического магнитного материала с Т _С, превышающей Т_С манганитов, намагниченностью насыщения, превышающей намагниченность слоев манганитов, и малой коэрцитивной силой (феррит). Усиление интенсивности излучения на выходе модулятора происходит за счет подмагничивания при приложении магнитного поля слоев манганитов слоем феррита. 2 з.п., 4 ил.

Полезная модель относится к области оптоэлектроники, в частности, к модуляции интенсивности инфракрасного (далее ИК) излучения магнитным материалом с регулируемой прозрачностью.

Известны различные модуляторы инфракрасного излучения, основанные на различных физических явлениях (Е.Р.Мустель и В.Н.Парыгин «Методы модуляции и сканирования света», М., Наука, 1970). Характеристики оптической среды могут меняться под влиянием электрического поля (эффекты Поккельса и Керра), магнитного поля, под действием упругих напряжений (фотоупругость) и т.п.. Использование магнитного поля как источника, управляющего интенсивностью света, реализуется в магнитооптических модуляторах излучения на основе эффекта Фарадея, использующих магнитные диэлектрики и полупроводники. Конструкция модулятора включает наличие рабочего оптического элемента заключенного между поляризатором и анализатором и помещенного в источник магнитного поля.

Основным недостатком модуляторов на эффекте Фарадея является обязательное наличие поляризатора и анализатора, которые усложняют конструкцию, процессы юстировки и увеличивают себестоимость модулятора.

Для исключения поляризатора и анализатора из состава модулятора применяют в качестве рабочего оптического элемента магнитные материалы, обладающие большими значениями эффекта магнитопоглощения (магнитопропускания), достигающего десятков процентов. Магнитопоглощение - это относительное изменение коэффициента поглощения магнитного полупроводника под действием магнитного поля: (_Н-₀)/₀, где _Н - коэффициент поглощения в магнитном поле, ₀ - коэффициент поглощения без магнитного поля. В технических приложениях обычно используется величина магнитопропускания - (t_Н-t₀)/t_Н, где t_Н - пропускание света ферромагнетиком в магнитном поле, t ₀ - пропускание без магнитного поля.

Известен модулятор ИК-излучения, работающий на явлении магнитопропускания в магнитном полупроводнике (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.83-86). Модулятор предназначен для модуляции интенсивности света, прошедшего через оптический элемент с регулируемой прозрачностью под действием магнитного поля. В конструкции модулятора отсутствуют поляризатор и анализатор. Модулятор имеет рабочий оптический элемент, помещенный в источник переменного магнитного поля. Оптический элемент выполнен из магнитного полупроводника - халькогенидной ртутной шпинели HgCr₂ Se₄ n- или р-типа. Величина магнитопропускания в оптическом элементе достигает 50%.

Однако в этом модуляторе рабочий оптический элемент выполнен из монокристалла шпинели HgCr₂Se₄ как n- так и р-типа с низкой температурой Кюри, которую не удается поднять выше Т=120 К ни путем легирования, ни отжигами (К.П.Белов, Ю.Д.Третьяков, И.В.Гордеев, Л.И.Королева, Я.А.Кеслер, Магнитные полупроводники - халькогенидные шпинели. / М.: МГУ, 1981, 280 С.). Изготовление рабочего оптического элемента в таком модуляторе выдвигает особые требования к качеству кристаллов и подготовке поверхностей рабочих оптических элементов из монокристаллов.

Кроме того, реализация модулятора требует создания дополнительного термостабилизирующего устройства.

Одной из возможностей исключения этих недостатков является замена в рабочем оптическом элементе монокристалла на пленку из магнитного материала, обладающего эффектом магнитопропускания при температурах близких к комнатной.

Известен модулятор ИК-излучения, работающий на эффекте магнитопропускания в эпитаксиальной пленке манганита с перовскитной структурой La_0.82Na_0.12 MnO₃ на прозрачной монокристаллической подложке LaAlO ₃ (Ю.П.Сухоруков, Н.Н.Лошкарева, А.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 в манганитах вблизи температуры Кюри (далее Т_C) связан с ростом объема ферромагнитной металлической непрозрачной фазы в основной неферромагнитной прозрачной фазе манганита при приложении к последнему магнитного поля. В отличие от ртутной шпинели, в манганитах в зависимости от состава каждого из них ТС может изменяться в диапазоне температур от 80 до 360 К.

Однако для каждого состава манганита величина магнитопропускания максимальна при Т=Т_C, а температурная зависимость магнитопропускания имеет вид узкой полосы при Т=Т_C±(10-15) К. Следовательно, для модуляции излучения в заданном рабочем интервале температур необходим набор модуляторов, в котором каждый из рабочих оптических элементов имеет свою температуру Кюри, кроме того, каждый из модуляторов должен иметь устройство для стабилизации температуры рабочего оптического элемента равной Т_С. Другим недостатком модулятора является необходимость создания больших управляющих магнитных полей для получения больших значений магнитопропускания.

Одной из возможностей решения проблемы расширения рабочего температурного интервала является замена модуляторов, рабочий оптический элемент которых содержит однослойную пленку из магнитного материала (манганита, обладающей эффектом магнитопропускания) с Т_С входящей в рабочий температурный интервал устройства, на один модулятор, в котором рабочий оптический элемент выполнен из гетероструктуры, состоящей из слоев манганитов с разными Т _С.

Наиболее близким к заявляемому является модулятор ИК-излучения, работающий на эффекте магнитопропускания (магнитопоглощения) в широком температурном интервале, в котором в качестве рабочего оптического элемента используется гетероструктура, состоящая из слоев манганитов с разной Т_С. [Патент РФ 2346315].

Модулятор ИК-излучения содержит рабочий оптический элемент, выполненный из n-слоев (n2) эпитаксиальных пленок манганита, обладающего эффектом магнитопропускания, и источник переменного магнитного поля. В качестве манганита используется соединение A_1-xB _xMnO₃, в котором трехвалентный редкоземельный металл А частично замещен одно- или двухвалентным металлом В со степенью замещения х. Слои манганита A_1-xB _xMnO₃ расположены на прозрачной в ИК области спектра монокристаллической подложке. Материал каждого из слоев имеет свое значение Т_С, и разница между максимальным и минимальным ее значениями соответствует заданному температурному диапазону работы модулятора, при этом между каждыми двумя соседними слоями, формируется переходный нанослой, Т_С которого находится в интервале между Т_С соседних слоев, состав нанослоя является комбинацией химического состава материалов двух соседних слоев, а толщина нанослоя определяется параметрами процесса эпитаксии.

В результате выполнения рабочего оптического элемента из n - слоев манганитов, получено расширение рабочего температурного диапазона модулятора за счет перекрытия температурных зависимостей магнитопропускания слоев, которые имеют вид узких полос с максимумом вблизи Т_С каждого слоя.

Модулятор ИК-излучения работает следующим образом. Рабочий оптический элемент помещен в катушку, создающую переменное магнитное поле. Приложение переменного магнитного поля к рабочему оптическому элементу вызывает изменение интенсивности излучения на выходе рабочего элемента с частотой, равной удвоенной частоте источника магнитного поля, за счет изменения соотношения ферромагнитной металлической непрозрачной и неферромагнитной прозрачной фаз в манганите. Магнитное поле прикладывается перпендикулярно или параллельно, или под углом относительно освещаемой поверхности рабочего оптического элемента. Рабочий температурный диапазон модулятора задается подбором состава слоев манганитов.

Однако это известное устройство обладает следующими недостатками, а именно, для достижения необходимой модулированной интенсивности излучения большой амплитуды требуется значительная величина магнитопропускания. Для ее обеспечения необходима значительная величина управляющего магнитного поля ~8 кЭ, что обычно достигается большим числом витков катушки, что, в свою очередь, влечет за собой уменьшение частотного диапазона модулятора и увеличение габаритов источника управляющего магнитного поля, и, как следствие, значительное увеличение энергопотребления устройства.

В основу полезной модели положена задача увеличения величины магнитопропускания за счет дополнительного подмагничивания манганита при снижении энергозатрат.

Поставленная задача решается тем, что в модуляторе инфракрасного излучения, содержащем рабочий оптический элемент, расположенный на прозрачной подложке из монокристалла и помещенный в источник управляющего магнитного поля, оптический элемент выполнен из n - слоев (n2) манганита A_1-xB_xMnO₃ , в котором трехвалентный редкоземельный металл А частично замещен одно- или двухвалентным металлом В со степенью замещения х, обладающего эффектом магнитопропускания, материал манганита каждого из слоев имеет свое значение Т_C, разница между максимальным и минимальным ее значениями соответствует температурному диапазону работы модулятора, согласно полезной модели, в рабочем оптическом элементе между двумя соседними слоями манганитов расположен дополнительный слой, выполненный из прозрачного в инфракрасной области спектра диэлектрического магнитного материала с Т_C, превышающей Т_С манганитов, намагниченностью насыщения, превышающей намагниченность слоев манганитов, и коэрцитивной силой, не превышающей коэрцитивную силу манганитов.

При этом

- в качестве материала дополнительного слоя используют ферриты шпинели CoFe₂O₄ или MnFe₂O ₄, или гранаты Nd₃Fe₅O₁₂ , или (Nd_0.75La_0.25)₃Fe ₅O₁₂, толщина слоя составляет от 100 нм до 800 нм с температурой Кюри более 530 К, коэрцитивной силой менее 5 Э, намагниченностью насыщения более 5000 Гс, магнитной проницаемостью более 1000.

- в качестве материала подложки используются монокристаллы из LaAlO₃, SrTiO₃ или ZrO ₂(Y₂O₃).

Выполнение рабочего оптического элемента из n - слоев манганитов, каждый из которых имеет свое значение температуры Кюри, обеспечивает расширение температурного диапазона за счет перекрытия температурных зависимостей магнитопропускания слоев. Введение же дополнительного слоя из прозрачного в ИК-диапазоне диэлектрического магнитного материала-феррита с Т_C>>Т_C манганитов, с намагниченностью насыщения значительно превышающей намагниченность манганитов, малой величиной коэрцитивной силы, обеспечивает увеличение эффекта магнитопропускания в слоях манганитов при приложении внешнего магнитного поля за счет подмагничивания слоев манганитов слоем магнитного материала-феррита.

Как было показано авторами предлагаемой полезной модели, после нанесения на манганит La_0.7Sr_0.3MnO₃, обладающий гигантским магнитопропусканием, дополнительного слоя феррита из шпинели СоFе₂O₄, MnFe₂O₄ или граната Nd₃Fe₅O₁₂, (Nd _0.75La_0.25)₃Fe₅O₁₂ и при приложении к полученной гетероструктуре феррит-манганит магнитного поля 8 кЭ происходит увеличение магнитопропускания (см. Фиг.3).

В предлагаемом устройстве магнитные свойства дополнительного слоя феррита могут быть изменены подбором состава. Например, феррит CoFe₂O₄, имеет намагниченность насыщения M_S=5000 Гс, коэрцитивную силу Н_C=400 Э, МnFe₂O₄-M _S=5200 Гс, Н_C=0.4 Э, Fе₃O₄ -M_S=6000 Гс, Н_C=3 Э и т.д.. Магнитная проницаемость указанных ферритов ~1000 в частотном диапазоне от 10 до 10 ⁶ Гц (Ю.Ситидзе, X.Сато, Ферриты, Мир: М., 1964, 408 с.).

Ферриты шпинели и ферриты граната выбираются исходя из того факта, что в пленках ферритов CoFe₂O₄ , MnFe₂O₄, Nd₃Fе₅ О₁₂, (Nd_0.75La_0.25)₃ Fe₅O₁₂ коэффициент поглощения в ИК-области спектра составляет ~с·10² см^-1 (с - целое число), что на два порядка меньше коэффициента поглощения пленок La_0.7Sr_0.3MnO₃ (>10 ⁴ см^-1), поэтому слой феррита слабо влияет на пропускание света гетероструктурами феррит-манганит, а следовательно, на пропускание предлагаемого ИК-модулятора.

Малая величина коэрцитивной силы, например, в феррите MnFe₂ O₄ Н_C=0.79 Э, не изменяет частотные характеристики предлагаемого ИК-модулятора и не увеличивает энергетические затраты на перемагничивание рабочего оптического элемента, поскольку в пленках манганитов A_1-xB_xMnO₃ коэрцитивная сила меняется от 10² до с·10 ³ Э (с - целое число).

Толщина дополнительного подмагничивающего слоя феррита в интервале от 100 до 800 нм объясняется обеспечением магнитной однородности и сплошности слоя, следовательно, его работоспособности при достаточной прозрачности рабочего оптического элемента.

Предлагаемое устройство, также как устройство прототип, работает в ИК-диапазоне спектра от 2 до 8 мкм.

Таким образом, в заявляемом модуляторе получен новый рабочий оптический элемент с более высоким уровнем магнитопропускания. Данный эффект достигается за счет применения в рабочем оптическом элементе нового дополнительного слоя из прозрачного в ИК-области магнитного материала.

Предлагаемая полезная модель иллюстрируется следующими чертежами. На фиг.1 представлено схематическое изображение модулятора ИК-излучения с источником управляющего магнитного поля, направленного вдоль направления распространения света и перпендикулярно освещаемой поверхности;

на фиг.2 - то же, но с управляющим магнитным полем, направленным перпендикулярно направлению распространения света и вдоль освещаемой поверхности рабочего оптического элемента;

на фиг.3 представлена полевая зависимость эффекта магнитопропускания в магнитном поле перпендикулярном поверхности пленки состава La_0.7Sr_0.3MnO₃.

на фиг.4 представлены температурные зависимости магнитопропускания однослойной пленки La_0.7Sr_0.3MnO₃ (1) и структуры CoFe₂O₄-La_0.7 Sr_0.3MnO₃ (2) на подложке SrTiО₃ , в магнитном поле 8 кЭ.

На фигурах 1 и 2 приведен пример конструкции модулятора с новым рабочим оптическим элементом, состоящим из прозрачной подложки 1 из монокристалла, на которой расположен слой 2 из манганита A_1-xB_xMnO ₃, слой 3 из манганита A_1-xB_xMnO ₃ и дополнительный слой 4 из феррита. Рабочий оптический элемент помещен в катушку 5, создающую переменное магнитное поле.

В предлагаемом устройстве подбором состава слоев 2 и 3 манганитов (фиг.1 и 2) температурный диапазон работы модулятора может быть изменен. Дополнительный слой 4 феррита располагается между слоями манганитов 2 и 3. Эффект магнитопропускания в манганитах (A₁, A₂)_1-хВ_хМnО ₃ слабо зависит от направления магнитного поля, не имеет насыщения и линейно зависит от внешнего магнитного поля, как показано на фиг.3, например, для пленки состава La_0.7 Sr_0.3MnO₃ в магнитном поле, направленном перпендикулярно поверхности пленки. Применение дополнительного слоя 4 из прозрачного в ИК-области феррита с намагниченностью насыщения выше намагниченности манганитов в поле 8 кЭ и Т _С выше Т_С слоев манганита, позволяет усилить в гетероструктуре магнитный поток от источника магнитного поля за счет концентрации магнитного потока в слое 4 феррита, что приводит к подмагничиванию ферритом слоев 2 и 3 манганита и увеличению в них магнитопропускания света. Например, кривая 2 на фиг.4 демонстрирует, что величина магнитопропускания рабочего оптического элемента модулятора из гетероструктуры феррит-манганит в магнитном поле 8 кЭ в 1.4 раза превышает магнитопропускание оптического элемента без дополнительного слоя 4 феррита (кривая 1 на фиг.4).

Модулятор работает следующим образом. При пропускании переменного электрического тока с частотой через катушку 5 (фиг.1 и 2) индуцируется переменное магнитное поле, которое вызывает модуляцию интенсивности, прошедшего через рабочий оптический элемент света, за счет эффекта магнитопропускания. Магнитное поле прикладывается перпендикулярно или параллельно или под углом относительно освещаемой поверхности рабочего оптического элемента, состоящего из подложки 1, слоев 2 и 3 манганита и слоя 4 феррита с высокой намагниченностью и малой коэрцитивной силой Н_C. Магнитопропускание является четным эффектом, частота изменения интенсивности прошедшего излучения равна удвоенной частоте 2 магнитного поля катушки 5. Температурный диапазон работы модулятора определяется Т_С слоев 2 и 3. Таким образом, происходит модуляция интенсивности падающего излучения.

Магнитное поле катушки 5 величиной выше коэрцитивной силы Н _С феррита приводит к намагничиванию феррита - слоя 4 и поочередному частичному намагничиванию слоев 2 и 3 манганитов в зависимости от температуры рабочего оптического элемента. Большая величина магнитной проницаемости феррита приводит к усилению магнитного потока в феррите, а, следовательно, и к дополнительному намагничиванию (подмагничиванию) рядом лежащих слоев 2 и 3 манганитов. Подмагничивание слоев 2 и 3 манганитов слоем 4 феррита приводит к усилению магнитопропускания в рабочем оптическом элементе или уменьшению интенсивности ИК-излучения на выходе рабочего оптического элемента.

Проведенные лабораторные испытания предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и достижение технического результата - изменение интенсивности света на выходе модулятора ИК-излучения за счет увеличения магнитопропускания при подмагничивании слоев манганитов слоем феррита.

Таким образом, заявляемое устройство, благодаря своим новым признакам, обеспечивает следующие преимущества:

1. Повышение амплитуды модулированного излучения или снижение управляющего магнитного поля для работы модулятора ИК-излучения при сохранении амплитуды модулированного излучения.

2. Снижение электропотребления за счет уменьшения величины управляющего магнитного поля.

1. Модулятор инфракрасного излучения, содержащий рабочий оптический элемент, выполненный из n слоев, где n2, манганита A_1-xB_xMnO₃ , в котором трехвалентный редкоземельный металл А частично замещен одно- или двухвалентным металлом В со степенью замещения х, обладающим эффектом магнитопропускания, материал манганита каждого из слоев имеет свое значение температуры Кюри, разница между максимальным и минимальным ее значениями соответствует температурному диапазону работы модулятора, расположенный на прозрачной подложке из монокристалла и помещенный в источник управляющего магнитного поля, отличающийся тем, что в рабочем оптическом элементе между двумя соседними слоями манганитов расположен дополнительный слой, выполненный из прозрачного в инфракрасной области спектра диэлектрического магнитного материала с Т_С, превышающей Т_C манганитов, намагниченностью насыщения, превышающей намагниченность слоев манганитов, и коэрцитивной силой, не превышающей коэрцитивную силу манганитов.

2. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала дополнительного слоя используют ферриты шпинели СоFе₂O₄, или МnFe₂O ₄, или гранаты Nd₃Fe₅O₁₂ , или (Nd_0.75La_0.25)₃Fe ₅O₁₂ толщиной от 100 до 800 нм, с температурой Кюри выше 530 К, коэрцитивной силой менее 5 Э, намагниченностью насыщения более 5000 Гс.

3. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала подложки используются монокристаллы из LaAlO₃, SrТiO₃ или ZrO₂(Y ₂O₃).