Дефлектор инфракрасного излучения сканирующего типа

Предлагаемая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована в системах слежения и контроля. Дефлектор инфракрасного (ИК) излучения, содержащий источник ИК излучения с модулятором, фотоприемник с микрометрическим датчиком, 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 диэлектрических окон и полупроводниковой отклоняющей системы (ПОС) с двумя плоскими контактами, установленными внутри криостата заполненного хладогентом, причем криостат выполнен в виде полого корпуса, на дне которого установлен держатель, на котором укреплена ПОС, 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 ПОС, кроме того, контакты выполнены в виде плоскостей, параллельных данной оси, а к контактам подключен источник питания с напряжением U, удовлетворяющим условию еU<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 ПОС, а входное диэлектрическое окно выполнено в верхней стенке криостата съемным так, что его диаметр был не меньше диаметра ИК луча, прошедшего через фокусирующую систему, кроме того дополнительно установлено за выходным диэлектрическим окном полупрозрачное зеркало, способное разделять выходящее из ПОС ИК излучение на два перпендикулярных луча, один из которых падает на ФП, подключенный к блоку питания, в цепь которого включено сопротивление нагрузки, с которого падение напряжения подается на коммутирующее реле, включенное в цепь источника напряжения ПОС, причем ФП выполнен таким образом, чтобы размеры его фоточувствительной области l_ф не превосходили величины максимального отклонения ИК луча l_м, падающего на ФП, отличающийся тем, что источник ИК излучения вращается вокруг оси симметрии с угловой частотой со, отличной от частоты вращения модулятора, причем диаметр окружности который описывает ИК луч при вращении не меньше, чем диаметр фокусирующей системы, так что сфокусированный ИК луч попадает во входное диэлектрическое окно, проходя через которое падает на ПОС, выполненную из концентрических слоев с изменяющимися показателями преломления, градиент которых направлен по радиусу от центрального внутреннего цилиндрического контакта, расположенного на оси симметрии, до другого коаксиального внешнего цилиндрического контакта, радиус которого не превосходит максимального отклонения ИК луча, причем полупрозрачное зеркало выполнено в виде конуса, центральная ось которого совпадает с осью симметрии, а радиус основания конуса не превосходит радиуса фоточувствительной области ФП, выполненного в виде плоского цилиндра, причем в центре ФП выполнен коаксиальный контакт, диаметр которого совпадает с диаметром окружности, описываемой вращающимся ИК лучом.

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

Известен дефлектор ИК излучения реверсивный (прототип - патент на полезную модель 92189, опубликован 10.03.2010, бюлл. 7), служащий для тех же целей, что предлагаемое устройство, содержащее источник ИК излучения с модулятором, фотоприемник (ФП), фокусирующую систему, криостат, заполненный хладогентом, с входным и выходным диэлектрическим окном и с полупроводниковой отклоняющей системой (ПОС), к которой подключен источник напряжения, полупрозрачное зеркало, разделяющее ИК луч на два перпендикулярных луча.

Недостатком этого устройства являются:

а) узкий динамический диапазон отклонения ИК луча лазера, что снижает функциональные возможности дефлектора,

б) невозможность пространственного хода ИК луча дефлектора, что исключает возможность применения дефлектора в качестве сканирующего устройства.

Технической задачей полезной модели является создание устройства с большим динамическим диапазоном и с возможностью пространственного сканирования луча дефлектора.

Техническая задача достигается тем, что дефлектор ИК излучения, содержащий источник ИК излучения с модулятором, фотоприемник с микрометрическим датчиком, 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 диэлектрических окон и ПОС с двумя плоскими контактами, установленными внутри криостата заполненного хладогентом, причем криостат выполнен в виде полого корпуса, на дне которого установлен ПОС, 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 ПОС, 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 ПОС, а входное диэлектрическое окно выполнено в верхней стенке криостата съемным так, что его диаметр был не меньше диаметра ИК луча, прошедшего через фокусирующую систему, кроме того дополнительно установлено за выходным диэлектрическим окном полупрозрачное зеркало, способное разделять выходящее из ПОС ИК излучение на два перпендикулярных луча, один из которых падает на ФП, подключенный к блоку питания, в цепь которого включено сопротивление нагрузки, с которого падение напряжения подается на коммутирующее реле, включенное в цепь источника напряжения ПОС, причем ФП выполнен таким образом, чтобы размеры его фоточувствительной области l_ф не превосходили величины максимального отклонения ИК луча l_M, падающего на ФП, согласно предлагаемой полезной модели источник ИК излучения вращается вокруг оси симметрии с угловой частотой , отличной от частоты вращения модулятора, причем диаметр окружности, который описывает ИК луч при вращении, не меньше, чем диаметр фокусирующей системы, так что сфокусированный ИК луч попадает во входное диэлектрическое окно, проходя через которое падает на ПОС, выполненную из концентрических слоев с изменяющимися показателями преломления, градиент которых направлен по радиусу от центрального внутреннего цилиндрического контакта, расположенного на оси симметрии, до другого коаксиального внешнего цилиндрического контакта, радиус которого не превосходит максимального отклонения ИК луча, причем полупрозрачное зеркало выполнено в виде конуса, центр которого совпадает с осью симметрии, а радиус основания конуса не превосходит радиуса фоточувствительной области ФП, выполненного в виде плоского цилиндра, причем в центре ФП выполнен коаксиальный контакт, диаметр которого совпадает с диаметром окружности, описываемой вращающимся ИК лучом. На фигуре изображена схема предлагаемого устройства. Устройство состоит из следующих элементов: источник ИК излучения 1, вращающийся вокруг оси симметрии с угловой частотой , отличной от частоты вращения модулятора 2, фотоприемник 3 с микрометрическим датчиком 4, установленными позади выходного диэлектрического окна 6, и фокусирующая система 7, которая установлена впереди входного диэлектрического окна 8 криостата 11 так, что оси вращающегося ИК луча и фокусирующей системы совпадает с осью симметрии входного и выходного диэлектрических окон и ПОС 9 с центральным внутренним цилиндрическим и коаксиальны внешним цилиндрическим контактами 10, установленными внутри криостата 11 заполненного хладогентом 12, причем криостат выполнен в виде полого корпуса, в котором установлен держатель 13, на котором укреплена ПОС, выполненная в виде слоев с изменяющимися показателями преломления, градиент которых оси луча, а длина волны ПК излучения >_c - длины волны, соответствующей краю собственного поглощения полупроводников, из которых выполнена ПОС, к которой источник питания 15 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 ПОС, а входное диэлектрическое окно выполнено в верхней стенке криостата съемным так, что его диаметр был не меньше диаметра ИК луча, прошедшего через фокусирующую систему.

В предлагаемой модели ПОС выполнена так, что градиент показателя преломления слоев также направлен по радиусу от центрального внутреннего цилиндрического контакта, расположенного на оси симметрии, до другого коаксиального внешнего цилиндрического дополнительно установлено за установлено за выходным диэлектрическим окном, а полупрозрачное зеркало 18, способное разделять выходящее из ПОС ИК излучение на два перпендикулярных луча, выполнено в виде конуса, центральная ось которого совпадает с осью симметрии, а радиус основания не превосходит радиуса фоточувствительной области ФП 3, выполненного в виде плоского цилиндра, установленного на юстировочный столик 14, и подключенный к блоку питания 5, в цепь которого включено сопротивление нагрузки 16, с которого падение напряжения подается на коммутирующее реле 17, включенное в цепь источника напряжения ПОС, причем ФП выполнен таким образом, чтобы размеры его фоточувствительной области l_ф не превосходили величины максимального отклонения ИК луча l _M, падающего на ФП.

Принцип работы предлагаемой полезной модели.

Предлагаемая полезная модель содержит источник ИК излучения 1, который вращается с угловой частотой со отличной от частоты модуляции модулятора 2 и фиксируется фотоприемником 3,установленным на юстировочном столике 14, перемещение которого регулируется микрометрическим датчиком 4, и который запитывается блоком питания 5, установленными позади выходного диэлектрического окна 6 и полупрозрачного зеркала в виде конуса 18 так, что ось падающего на ФП луча и фокусирующей системы 8 совпадают с осью симметрии входного диэлектрического окна 8 и ПОС 9 с двумя цилиндрическими контактами 10, установленной внутри криостата 11, заполненного хладогентом 12, на держателе 13, причем к ПОС напряжение U от источника напряжения 15, в цепи которого установлено коммутирующее реле 17, на которое подается падение напряжения с сопротивления нагрузки 18. Технология получения полупроводниковой отклоняющей системы 9 связана с методом молекулярно-лучевой эпитаксии и фотолитографии на основе соединений GaAs-GaP и их твердых растворов. Полупроводниковые слои имеют форму концентрических колец, у каждого из которых показатель преломления отличается от другого, причем градиент показателя преломления направлен по радиусу от центрального внутреннего цилиндрического контакта до другого коаксиального внешнего цилиндрического контакта. Такие полупроводниковые системы, у которых осуществляется изменение показателя преломления (ПП), свои классические электродинамические свойства проявляют в условиях, когда реализуется при температуре хладогента (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 сильно возрастает. Важным условием выполнения БРПЭ является малоэнергетический режим пролета электрона. Этот режим реализуется при условии eU<Е_ф, где е - заряд электрона, U - напряжение источника 15, 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 меняется от нуля до сотой доли вольта. Таким образом, в полупроводниковых системах на основе GaAs-GaP, которые близки по своим параметрам, осуществляется изменение ПП с заданным градиентом, имеющим, с учетом конкретных параметров полупроводников значение, равное примерно 6·10⁵ м·^-1. Этот градиент осуществляется за счет градиента статической диэлектрической проницаемости (ДП) полупроводниковой отклоняющей системы, но он постоянен и не может управляться внешним электрическим полем от источника питания 15. За счет этого градиента ПП происходит прямое отклонение ИК луча. Для создания сканирующего хода ИК луча ему придается вращение с угловой частотой , и создается в ПОС управляемый внешним электрическим полем встречный градиент концентрации электронов. Известно, что на границе двух слоев с разной диэлектрической проницаемостью (ДП) выполняется равенство нормальной составляющей вектора электрического смещения:

₁E₁=₂Е₂,

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 n_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 реверсивный ход лазерного луча. Таким образом, 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 _с, составляющих ПОС, имеет место вклад свободных электронов в действительную часть показателя преломления согласно формуле:

N²=-ne²/m₀² (л)

где - статическая ДП, ₀ - электрическая постоянная, е - заряд электрона, m - эффективная масса электрона, п - концентрация свободных носителей (п=2 10¹⁹ см^-3), (л) - 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:

=l_ПgradN

где l_П - длина пути луча лазера в ПОС (l_П=0,1 мм)по оси y, N - показатель преломления, зависящий от расстояния до оси симметрии. 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 ПОС. Окончательно имеем, что с учетом параметров ПОС системы угол отклонения =60°.

На первом этапе работы, когда источник напряжения 15 отключен, производится установка ФП с помощью юстировочного столика 15 и регулировка его положения микрометрическим датчиком 4 таким образом, чтобы неотклоненный полупрозрачным конусом 18 луч попадал в край фоточувствительной области ФП 3, размер которой l_Ф не превосходит величины максимального отклонения ИК луча l_M в направлении оси х. При попадании луча в фоточувствительную область сопротивление ФП резко падает и это происходит до тех пор, пока луч не достигнет своего максимального отклонения по оси х. При выходе луча из фоточувствительной области сопротивление ФП возрастает и возникает положительный перепад напряжения на сопротивлении нагрузки 18, который передается на коммутационное реле 17, включающее источник напряжения 15. При этом возникает градиент концентрации электронов в ПОС 10, направленный в противоположную сторону градиенту статической ДП, поэтому ИК луч совершает реверсивное отклонение и проходит всю фоточувствительную область в обратном направлении. В результате этого реверса ИК луч выходит из фоточувствительной области ФП и происходит резкое возрастание сопротивления ФП. Этот перепад на сопротивлении нагрузки 18 регистрируется коммутирующим реле 17, которое выключает источник напряжения 15, поэтому градиент концентрации электронов исчезает и ИК луч снова начинает перемещаться в х направлении под действием градиента статической ДП. Таким образом осуществляется работа реверсивного дефлектора ИК излучения, так как один луч, прошедший напрямую по оси у по направлению к ФП, служит для управления развертки луча, а второй луч, отраженный от зеркала, совершает свои колебательные движения в одной плоскости. Механическое вращение ИК луча с угловой частотой приводит к тому, что ИК луч движется по ПОС, изготовленному в видев виде концентрических слоев, также как и по полупрозрачному зеркалу, изготовленному в виде конуса, по спирали а затем раздваивается и отраженный от зеркала луч сканирует пространство, а другой луч. движется про спирали по ФП, изготовленному - в виде плоского цилиндра с соответствующими размерами и центровкой. При выходе за границы фоточувствительной области ФП, этот луч включает и выключает реле, которое управляет подачей напряжения на ПОС и осуществляет прямой и обратный ход управляющего луча, что позволяет осуществить развертку колебаний отраженного ИК луча в пространстве, и применить этот дефлектор в качестве объемного сканирующего устройства,

Технико-экономические преимущества

Преимущества предлагаемой полезной модели по сравнению с прототипом следующие:

предлагаемое устройство обладает большим динамическим диапазоном отклонения ИК луча, что обеспечивает его большие функциональные возможности и возможность применить этот дефлектор в качестве объемного сканирующего устройства.

Дефлектор инфракрасного (ИК) излучения, содержащий источник ИК излучения с модулятором, фотоприемник с микрометрическим датчиком, 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 диэлектрических окон и полупроводниковой отклоняющей системы (ПОС) с двумя плоскими контактами, установленными внутри криостата, заполненного хладогентом, причем криостат выполнен в виде полого корпуса, на дне которого установлен держатель, на котором укреплена ПОС, 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 ПОС, кроме того, контакты выполнены в виде плоскостей, параллельных данной оси, а к контактам подключен источник питания с напряжением U, удовлетворяющим условию еU<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 ПОС, а входное диэлектрическое окно выполнено в верхней стенке криостата съемным так, что его диаметр был не меньше диаметра ИК луча, прошедшего через фокусирующую систему, кроме того, дополнительно установлено за выходным диэлектрическим окном полупрозрачное зеркало, способное разделять выходящее из ПОС ИК излучение на два перпендикулярных луча, один из которых падает на ФП, подключенный к блоку питания, в цепь которого включено сопротивление нагрузки, с которого падение напряжения подается на коммутирующее реле, включенное в цепь источника напряжения ПОС, причем ФП выполнен таким образом, чтобы размеры его фоточувствительной области l_ф не превосходили величины максимального отклонения ИК луча l_м, падающего на ФП, отличающийся тем, что источник ИК излучения вращается вокруг оси симметрии с угловой частотой , отличной от частоты вращения модулятора, причем диаметр окружности который описывает ИК луч при вращении не меньше, чем диаметр фокусирующей системы, так что сфокусированный ИК луч попадает во входное диэлектрическое окно, проходя через которое падает на ПОС, выполненную из концентрических слоев с изменяющимися показателями преломления, градиент которых направлен по радиусу от центрального внутреннего цилиндрического контакта, расположенного на оси симметрии, до другого коаксиального внешнего цилиндрического контакта, радиус которого не превосходит максимального отклонения ИК луча, причем полупрозрачное зеркало выполнено в виде конуса, центральная ось которого совпадает с осью симметрии, а радиус основания конуса не превосходит радиуса фоточувствительной области ФП, выполненного в виде плоского цилиндра, причем в центре ФП выполнен коаксиальный контакт, диаметр которого совпадает с диаметром окружности, описываемой вращающимся ИК лучом.