FI65492C - Anordning foer detektering av elektromagnetiska vaogor - Google Patents

Description

ΙΓ-^m Γβ1 _ KUULUTUSJULKAISU ζ-ΓΧΛΟ 3¾¾ Μ (^) UTLACG N I NGSSKRI FT 65492 C (45) Patent aeJcielat ^ ^ (51) Kv.lk?/Intel.3 G 01 J 3/00 SUOMI—'FINLAND (21) P»t*nttlh»k*nmJt —P»t«nUn*6ltnln| 13^/7*+ (22) Hikemhpilvl — Amttknlng«d*g 02.05,"Jk (23) Mkuptlvt—Clltl|hM»di| 02.05.Jk (41) Tullut lulkiMktl — BlMt offamHg O5.ll 7I4 }> rekisteri hallitut (44) η***κ*»ο* |. pm.- ,, *ηι ‘ h

Patent· och registerstyrelsan ' ' Amsicm uttafd odi utUkrtft*n puMiund ·ux ·04 (32)(33)(31) Pjrydtttjr etuoiksui—ft*|M prlorHrt Qi+. 05.73 USA(US) 357317 (71) International Business Machines Corporation, Armonk, New York 1050U, USA(US) (72) Eugene Edward Tynan, Mahopac, New York, Robert J. von Gutfeld,

Hew York, New York, USA(US) (7^) Oy Kolster Ab (5^) Laite sähkömagneettisten aaltojen havaitsemiseksi -Anordning för detektering av elektromagnetiska vägor

Nyt kyseessä oleva keksintö kohdistuu yleisesti järjestelyihin, joilla havaitaan sähkömagneettisia aaltoja ja lähemmin määriteltyjä laitteeseen sähkömagneettisten aaltojen havaitsemiseen, joka on käyttökelpoinen infrapuna-alueella sähkömagneettista spektriä ja joka saattaa toimia huoneen lämpötilassa tai lähellä sitä. Erityisesti tarkoittaa keksintö tämän tyyppistä ilmaisinta, joka on valmistettu tyhjiöhöyrystetyn metallin kerroksesta, edullisimmin tulenkestävän metallin tai korkean sulamispisteen metallista.

Tämä keksintö tarkoittaa lähemmin määriteltynä tyhjiöhöyrystettyjä kalvoja metallisista aineista, joissa on indusoitua anisotropiaa, joka saattaa olla peräisin varsinaisesta tyhjiöhöyrystämisestä vaikka saattaa aiheutua ulkopuolisesta lähteestä, esim. magneettikentästä. Edellleen voivat näin tuloksena olevat kalvot, joihin on indusoitu anisotropiaa menetelmässä tai ulkopuolisen aiheuttajan avulla kehittää poikittaissuuntaisen ulostulojännitteen sillä edellytyksellä, että voidaan kehittää tämän kalvon tasoon nähden kohtisuorassa 2 65492 suunnassa oleva lämpötilagradientti. Täten saattaa yksittäinen metallinen kai-vo yhdistelmänä laserpulssin kanssa suhteellisen pienellä pulssinleveydellä kehittää ulostulojännitepulssin. Vastaavalla tavalla saattaa sama metallinen kalvo sijoitettuna dielektriselle alustalle myös aikaansaada ulostulojännit-teen vasteena termisen gradientin muodostumisesta tähän kalvoon ja eristävään alusta-ainekseen. Tämä viimemainittu järjestely on edullisena pidettävä suoritusmuoto koska amplitudi tuloksena olevassa ulostulopulssissa seurauksena esim. laservalon pulssista on hyvin paljon suurempi kuin mikäli ei käytettäisi mitään alustaa. Kun kyseessä on metallinen kalvo ilman alustaa indusoituine anisotro-pioineen täytyy paksuuden vähintään olla 1/a jossa a on optinen absorptiopituus lausuttuna cm Kun kyseessä on metallinen kalvo, joka on sijoitettu dielektriselle alustalle jossa alusta lisää tai jyrkentää lämpötilagradienttia määräytyy alustan paksuus sen termisten ominaisuuksien perusteella samoin kuin myös termisistä ominaisuuksista metallissa. Mitä tulee kalvoon ilman alustaa täytyy puls-sin leveyden (T ^ggj) olla pienempi kuin'v-'D /K jossa D on metallikalvon paksuus ja K on metallikalvon terminen diffusiviteetti.

Ylläkuvatut ilmaisimet ovat järjestelyitä, joihin liittyy kaksi kytkinosaa ja jotka eivät tarvitse mitään energiaa toimiakseen. Ne pystyvät toimimaan ei pelkästään huoneen lämpötilassa, vaan myöskin hyvin paljon korkeammissa ja alemmissa lämpötiloissa ja ne kehittävät suhteellisen korkeita ulostulojännitteitä suhteellisen laajalla alueella sähkömagneettista spektriä.

Ilmaisimet erilaisia sähkömagneettisen spektrin alueita varten ovat tekniikassa sinänsä tunnettuja. Tietyt näistä käyttävät puolijohdeaineita ja useat vaativat jäähdyttämistä nestemäisen heliumin lämpötilaan ennenkuin saadan ulos-tuloenergiaa. Ei ole olemassa mitään tunnettuja metallisia ilmaisimia sähkömagneettista energiaa varten, jotka pystyisivät työskentelemään huoneen lämpötilassa ja joita voitaisiin valmistaa helposti ja yksinkertaisesti. Normaalisti voitaisiin päinvastoin odottaa, että kalvot, jotka ovat sijoitettu suhteellisen korkeissa lämpötiloissa olisivat itsestään karkenevia (vastakohtana sille, mitä on asianlaita alhaisen lämpötilan sijoittamisessa) ja tällaisissa olosuhteissa niillä ei olisi mitään sisäisiä jännityksiä, jotka aikaansaisivat anisotrooppista käyttäytymistä. Näiden kalvojen anisotrooppinen käyttäytyminen johtaa mitattavissa olevaan sähköiseen ulostuloarvoon, joka on käyttökelpoinen jopa ilman vahvistamista.

Tämän keksinnön mukainen laite koostuu laajimmassa merkityksessään ohuesta kalvosta, joka on johtavaa ainetta, johon on indusoitu anisotropiaa, ainakin yh- 3 65492 destä koskettimien parista, jotka on sähköisesti liitetty kalvoon, sekä välineistä, joihin sisältyy elimet kalvon paikalliseksi kuumentamiseksi kohdistetun energian avulla ja joilla synnytetään kalvoon lämpötilagradientti suunnassa, joka muodostaa suoran kulman kalvon tason kanssa.

Laitteen kalvon ja alustan kuumentamiseksi paikallisesti käsittävät puolestaan lyhytpulssilaserin, elektronisäteen tai muita fokusoidun energian lähteitä, joka kun se osuu ilmaisimeen nyt kyseessä olevan keksinnön mukaan aikaansaa lämpöä, joka johtaa termiseen gradienttiin suunnassa, joka muodostaa suoran kulman tämän kalvon kanssa taikka termiseen gradienttiin alustassa ja kalvossa suunnassa, joka muodostaa suoran kulman kalvon ja alustan tason kanssa.

Johtava kalvo on metallia ja se saattaa mahdollisesti olla jotakin siir-tymäalkua ine i s t a.

Yllämainittu laite muodostaa nopeaslla vasteella toimivan ilmaisimen sähkömagneettista energiaa varten, tämän ilmaisimen saattaessa esim. olla yhdistetty muiden vastaavien ilmaisimien kanssa aikaansaamaan ilmaisinsarjan sähkömagneettisia aaltoja varten. Nämä havainnollistetut laitteet käyttävät hyväkseen kalvoon indusoitua anisotropiaa, mikä anisotropia on joko pysyvästi indusoitua tai väliaikaisesti ulkopuolisella aiheuttajalla aikaansaatua. Tämä järjestely pystyy myös kehittämään ulostuloenergiaa, jonka napaisuus on vaihdeltavissa yksinkertaisesti muuttamalla suunta siinä energiassa, joka kohtaa kalvon pinnan.

Eräs tarkoitus nyt kyseessä olevalla keksinnöllä on aikaansaada ohutkal-volaite sähkömagneettisen energian ilmaisemiseksi, erityisesti spektrin infrapur* na-alueella.

Eräs toinen tämän keksinnön tarkoitus on aikaansaada laite sähkömagneettisten aaltojen ilmaisemiseksi, joka ei vaadi mitään muuta energiaa kuin lämmitystä sähköisen ulostuloarvon aikaansaamiseksi.

Vielä eräs tarkoitus on aikaansaada laite sähkömagneettisen energian havaitsemiseksi, joka. järjestely on rakenteeltaan yksinkertainen, halpa ja helppo valmistaa ja joka toimii huoneen lämpötilassa.

Vielä eräs tarkoitus on aikaansaada laite sähkömagneettisen energian ilmaisemiseksi, jolla on suhteellisen nopea vaste ja joka kykenee aikaansaamaan sähköistä ulostuloenergiaa vastakkaisin napaisuuksin. Keksinnön lähemmät tunnusmerkit esitetään myöhemmin patenttivaatimuksissa.

Yllämainitut ja muut tämän keksinnön tarkoitukset, ominaisuudet ja edut tulevat käymään ilmi alempana seuraavasta yksityiskohtaisemmasta selityksestä eräästä edullisena pidetystä suoritusmuodosta, jota havainnollistetaan oheisissa piirustuksissa.

4 65492

Kuvio IA on poikkileikkauskuvanto metallikalvosta indusoituine aniso-tropioineen nyt kyseessä olevan keksinnön periaatteiden mukaisesti ja jota viritetään esim. pulssityyppisellä laserlähteellä niin että aikaansaadaan termosähköinen jännite tietyn napaparin yli, jotka on liitetty sähköisesti kalvon pintaan.

Kuvio IB on poikkileikkauskuvanto metallikalvosta indusoituine aniso-tropioineen vastaten kuviossa IA esitettyä sillä poikkeuksella, että metallista kalvoa kaikkialta kannatetaan dielektrisellä alustalla.

Kuvio 2A on kaavamainen poikkileikkauskuvanto ohuesta kalvosta vastaten kuvioissa IA ja IB esitettyä, tämän ollessa varustettu liukukoskettimien parilla tähän kalvoon liittymässä ja järjestettynä kehittämään ulostulojännitteen 50 ohmin impedanssin yli seurauksena tälle pinnalle osuvasta laser-pulssista. Kuvio 2A esittää oskilloskooppia rinnakkaiskytkettynä ulostuloim-pedanssin kanssa sekä negatiivisen napaisuuden aaltomuotoa, mikä tulee näkyviin tällä oskilloskoopilla.

Kuvio 2B on kuviota 2A vastaava järjestely esitettynä sillä poikkeuksella, että suhteelliset liukukoekettimien asennot on vaihdettu kuviossa 2B. Näin tuloksena oleva aaltomuoto, joka on esitetty kuviossa 2B, on napaisuudeltaan vastakkainen sille aaltomuodon napaisuudelle, joka on esitettynä kuviossa 2A.

Kuviot 2C ja 2D esittävät kuvioita 2A ja 2B vastaavia järjestelyitä sillä poikkeuksella, että koskettimet on siirretty 90° kuvioissa 2A ja 2B esitettyihin asemiin verrattuna. Aaltomuodot eivät osoita mitään ulostulo-jännitettä.

Kuvio 2E esittää kuviota 2A vastaavaa järjestelyä sillä poikkeuksella, että koskettimet on kierretty 45° kuvion 2A asentoon verrattuna. Näin tuloksena oleva ulostulon aaltomuoto on napaisuudeltaan sama kuin kuvion 2A aaltomuoto sillä poikkeuksella, että amplitudi on oleellisesti pienentynyt.

kuvio 2F esittää kuviossa 2B esitettyä järjestelyä vastaavaa tapausta sillä poikkeuksella, että koskettimet on kierretty 45° kuvioon 2B verrattuna. Näin tuloksena olevalla aaltomuodolla on sama napaisuus kuin kuviossa 2B sillä poikkeuksella, että amplitudi on oleellisesti pienentynyt.

Kuviot JA ja 3B esittävät oskilloekooppikuvia jännitteelle laserista, joka on virittänyt 1800 k paksun höyrystetyn molybdeenikalvon, joka on järjestetty safiirialustalle. Laserviritys on aaltopituudeltaan noin 4600 k ja sen pulssin leveys on noin 5 nanosekuntia. Kuvio 3A esittää aaltomuotoa edestäpäin pinnalle valaisutapauksessa kun taas kuvio 3B esittää aaltomuotoa, joka on seurausta valaisusta taaemmalle pinnalle.

Kuviot 4A ja 4B esittävät käyriä lämpötilalle ympäristöön nähden funktiona edestäpäin tai takaapäin suoritettavasta valaisusta käyttäen puis- 65492 5 sityyppistä laseria noin 5 nanosekunnin laserpuleeilla viritykseen. Näin aikaansaadut profiilikäyrät koskevat aikaa Tl, joka esiintyy heti laserpulssin aloittamisen jälkeen, aikaa T2, joka esiintyy välittömästi ennen pulssin lopettamista ja aikaa T3, mikä on ajanhetki välittömästi pulssin lopettamisen jälkeen (jäähdytysvaihe).

Kuviossa IA näissä piirustuksissa esitetään metallikalvo 1 valmistettuna korkean sulamispisteen metallista, esim. molybdeenistä tai volframis-ta. Metallikalvoa 1 kannatetaan pelkästään reunaosaltaan dielektrisellä alustalla 2, joka on safiiria, kvartsia, pyrexlasia tai jotain muuta sähköisesti eristävää ainetta. Kosketinosien tai korvien 3 ja 4 pari on liitetty sähköisesti kahteen pisteeseen metallikalvon 1 pinnalla. Laserpulssi, jota kuviossa IA edustaa nuoli 3 tuodaan kalvon 1 pinnalle. Mikäli kalvossa 1 esiintyy indusoitua anisotropiaa, joka määräytyy joko niistä olosuhteista, joiden alaisena kalvo 1 valmistetaan tai ulkopuolisen aiheuttajan induktiosta, jollaisena esim. on magneettikenttä ja kun kalvoa viritetään pulseinmuotöisellä lasersäteilyllä kehitetään normaalisti koskettimiin 3 ja 4 ulostulo-jännite. Ensimmäisenä mainitussa tapauksessa on indusoitu anisotropia pysyvää, kun taas viimemainitussa tapauksessa se saattaa esiintyä pelkästään niin kauan kuin indusoiva kenttä on vaikuttamassa riippuen tämän kalvon ferromagnetismin asteesta.

Kun laserpulssi 3 osuu kalvoon 1 kehittyy korvien 3 ja 4 yli jännite, joka on suoraan verrannollinen osuvan lasertehon määrään tietyllä pulssin muodolla. Optimia pulssinmuodon eheyttä varten voidaan sijoittaa sovitin-impedanssi (mitä ei ole esitetty) korvien 3 ja 4 yli ja sisään tulevan la-serpulssin esiintyminen kalvolla 1 voidaan havaita valvomalla indusoitua jännitettä oskilloskoopissa, joka on sijoitettu rinnakkain impedanssin kanssa.

Kuviossa IB esitetään järjestely, joka muistuttaa kuviossa IA esitettyä sillä poikkeuksella, että kalvoa 1 kokonaisuudessaan kannatetaan dielektrisellä alustalla 2. Kuvion IB mukaisessa järjestelyssä kehitetään ulostulo-jännite korviin 3 ja 4, ja on tällä oleellisesti suurempi amplitudi kuin sillä ulostulojännitteellä, joka kehitetään korvakkeisiin 3 ja 4 kuvion IA mukaisessa järjestelyssä. Tässä mielessä on kuvion 1 mukaista järjestelyä pidettävä edullisena suoritusmuotona. Molemmissa havainnollistetuissa järjestelyissä kehitetään lämpötilagradientti tiettyyn suuntaan, joka muodostaa suoran kulman kalvon 1 tasoa vastaan joko kalvoon 1, kuten on asianlaita kuviossa IA taikka sekä kalvoon 1 että alustaan 2, kuten on asianlaita kuviossa IB. Juuri tämä terminen gradientti yhdistelmänä indusoidun anisotro-pian kanssa odottamatta aikaansaa sähköisen ulostulotehon määrän seurauksena 65492 sisä&ntulevasta laservalon pulssista. Vaikkakin voidaan aikaansaada gra-dientti pelkästään osittain kannatetun kalvon yli kuvion IA mukaan tulisi olla ilmeistä, että gradientti on hyvin pieni tämän kalvon 1 pienen paksuuden johdosta. Seurauksena tästä pienestä gradientista kehittyy ainoastaan hyvin pieniä ulostulojännitteitä korvakkeisiin 3 ja 4. Lämpötilagradientti voidaan kuitenkin maksimoida käyttämällä alusta^ainetta, joka on voimakkaasti termisesti johtavaa, kuten on asianlaita kuvion IS mukaisessa järjestelyssä. Korkea terminen johtokyky alustassa 2 aikaansaa suuren gradientin vasteena laserpulssille, joka osuu kohtisuoraan kerroksen 1 tasoa vastaan. Mitä suurempi gradientti on sitä suurempi on signaalina oleva ulostulo, joka kehittyy korvakkeisiin 3 ja 4 sillä edellytyksellä, että käytetään suuren energiatiheyden virityslähdettä, kuten esim. laseria.

Kalvon 1 täytyy, kuten yllä on todettu, osoittaa indusoitua anisotro-piaa, jotta voitaisiin kehittää jännite korvakkeisiin } ja 4 kuvioissa IA ja IB. Kun kalvossa 1 ei esiinny indusoitua anisotropiaa ei kehity jännitettä korvakkeisiin, jotka on liitetty tällaiseen kalvoon vaikkakin tässä kalvossa esiintyisi lämpötilagradientti. Kun esim. tyhjiöhöyrystetään volf-rami- tai molybdeenikalvon suuressa lämpötilassa tulee näin sijoittunut kalvo itsestään karkaistuinaan siinä määrin, että sisäiset jännitykset suuressa määrin vapautuvat. Mikäli kaikki muut tekijät pysyvät samoina paitsi että volframin tai molybdeenin tyhjiösijoittaminen toteutetaan dhaisimmassa mahdollisessa alusta-aineen lämpötilassa, mikä sopii yhteen hyvän kiinni-tarttuvuuden kanssa aikaansaa laserpulssin aikaansaaminen suorassa kulmassa kalvon tasoa vastaan ulostulojännitteen kehittymisen korvakkeisiin 3 ja 4· Tämän johdosta edellytetään, että tässä kalvossa esiintyy indusoitua anisotropiaa niiden sisäisten jännitysten vaikutuksesta, joita kehittyy kalvoon 1 tämän sijoittamisen aikana huoneen lämpötilassa tai lähellä sitä. Tällaisissa olosuhteissa esiintyy kalvossa 1 pysyvä indusoitu anisotropia. Tämän anisotropian ei kuitenkaan tarvitse olla pysyvää vaan se voidaan hetkellisesti kehittää sijoitettuun kalvoon, jossa kaikki sisäiset jännitykset ovat vapautuneet saattamalla siihen vaikuttamaan ulkopuolinen magneettikenttä, erityisesti kun kyseessä on ferromagneettiset ohuet kalvot. Tässä ei jännitys ole tarpeellinen, koska magneettikenttä yksinäänkin saa elektronit kulkemaan anisotrooppisesti sen voiman vaikutuksesta, joka kehittyy tulona elektronien nopeudesta kerrottuna magneettikentällä (v x H). Edelleen saattaa anisotropiaa esiintyä sen johdosta, että monissa magneettisissa kalvoissa muodostamisen jälkeen esiintyy anisotrooppiBta magnetisointia.

Kuten on ilmaistuna yllä on se jännite, joka kehitetään korvakkei-den 3 ja 4 yli kuvioissa IA ja IB suoraan verrannollinen osuvaan lasertehoon, 65492 7 jolla on kiinteä pulssin muoto, se on jonkin verran riippuvainen alueta-ai-neen tyypistä, mutta se on riippumaton osuvan lasersäteen polarisaatiosta. Jännite on funktio kalvon paksuudesta 1 mikäli vain kalvon paksuus omaa vaikutusta hetkelliseen lämpötilagradienttiin suorassa kulmassa kai» von tasoa vastaan. Kalvon paksuudet suuruusluokaltaan 500-2700 A ovat olleet kokeilujen alaisina. Kalvon 1 vasteaika riippuu laserpulSsin leveydestä. Kun kyseessä on 5 nanoeekunnin pulssi on nousuaika suuruusluokkaa 3-4 nano-sekuntia ja kuoleentumisaika suuruusluokkaa 5 nemosekuntia. Lyhyemmät laser-pulssit aikaansaavat nousuaikoja, jotka ovat likimain pulssinleveyden suuruisia. Missä tahansa suunnassa kalvolla 1 sen mukaisesti mitä on määritelty korvakkeiden 3 ja 4 kosketinpisteistä ei voida havaita mitään muutosta jännitteessä liittyen valopulssin siirtymisestä korvakkeiden 3 ja 4 välillä.

Kun kyseessä on kuviossa IA esitetty kannattamaton kalvo 1 tulee kalvon paksuuden olla vähintään l/ot, jossa a on optinen absorptiopituus lausuttuna em“\ Pulssin leveyden osuvalle laserpulssille ei tule olla niin suuren, että tapahtuu kalvon 1 höyrystymistä. Normaalisti tulee pulssinleveyden 2 kannattamattomalle kalvolle 1 olla pienempi kuin D /K, jossa S on kalvon paksuus ja K on metallikalvon 1 terminen diffusiviteetti. Järjestelyssä jossa on kuvion IN mukainen kannatettu kalvo aikaansaa alusta halutun lämpötilagradientin ja kuten kannattamattoman kalvon tapauksessa ei laser-pulssin leveyden tule olla riittävä, jotta kalvo 1 höyrystyisi. Kuvion IB mukaisessa järjestelyssä määräytyy pulssin leveys termisistä ominaisuuksista sekä kalvossa 1 että alustassa 2.

Kuten yllä on osoitettu voidaan kalvo 1 tyhjiöhöyrystää sinänsä hyvin tunnettuun tapaan edullisimmin huoneenlämpötilan (20°C) alueella.

Tämä kalvo 1 voidaan valmistaa mielivaltaisesta sähköisesti johtavasta aineksesta, jolla on korkea sulamislämpötila ja joka on optisesti absorboivaa tietyllä aaltopituudella. Siirtymäalkuaineet, toisin sanoen titaani, vanadiini, kromi, koboltti, nikkeli, tanttaali, volframi, uraani, osmiumi, iridiumi, platina ja molybdeeni soveltuvat erittäin hyvin kuvion IA mukaiseen järjestelyyn. Yleisesti ottaen voidaan mitä tahansa metallia tai metalliseosta, jolla on korkea sulamislämpötila käyttää mikäli sillä esiintyy indusoitua anisotropiaa.

Alusta 2 saattaa olla mikä tahansa sähköisesti eristävä alusta, jolla on hyvä terminen johtokyky. Täten voidaan lasia, kvartsia, alumiinia tai muita dielektrisiä aineita käyttää. Korvakkeet 3 ja 4 kuvioissa IA ja IB saattavat olla termisesti sidottuja kalvon 1 pintaan tai ne voidaan sovittaa sen päälle käyttäen esim. hopeatahnaa tai väriä. Kukin sovelias aine on käy- β 65492 tettävissä koskettimia varten niin kauan kuin se vain tarttuu riittävästi kiinni kalvoon 1.

Kuviossa 2A esitetään kaavamainen esitys kalvosta 1 indusoituine aniso-tropioineen, johon kalvon koskettimet 3 ja 4 voidaan liittää. Impedanssi 6 suuruudeltaan likimain 50 ohmia esitetään kytkettynä koskettimien tai kor-vakkeiden 3 ja 4 väliin. Oskilloskooppi, jota kaavamaisesti on edustettu ympyrällä 7 kuviossa 2A on kytketty rinnakkain impedanssin 6 kanssa. Kuviossa 2A voidaan koekettimia eli korvakkeita 3 ja 4 siirtää liuottamalla kalvoon 1 verrattuna. Kun tuodaan laserpulssi suorassa kulmassa kalvon 1 tasoa vastaan kehitetään jännite impedanssin 6 yli ja ulostulon aaltomuoto 8, joka on havainnollistettu kuviossa 2A tulee näkyviin oskilloskoopisea 7· Aaltomuoto 8 on ideaalieoitu aaltomuoto (todellisia aaltomuotoja esitetään kuvioissa 3A ja 3B), mikä on tarkoitettu ainoastaan näyttämään polariteetin ja amplitudin tietoa. Kuten on esitettynä kuviossa 2A on aaltomuodolla 8 negatiivinen napaisuus ja sen amplitudi on Vy ja saadaan se säätämällä kos-kettimia 3 ja 4 kalvon 1 pinnalla. Joko vaihtamalla koskettimet 3 ja 4 keskenään tai kääntämällä kalvon 1 suuntausta 180° voidaan päästä kuvion 2B mukaiseen aaltomuotoon 9· Aaltomuodolla 9 on positiivinen napaisuus ja sen amplitudi on V. Tämän kalvon 1 indusoidun anisotropian perusteella aikaansaadaan termosähköinen jännite, jolla on määrätyn suuruinen polariteetti.

Tämän seurauksena saattaa kalvo 1 kun laserpulssi kehittää termisen gradientin kalvon 1 ja alustan 2 yli olla verrattavissa akkuun siinä mielessä, mitä tulee johtimien vaihtamiseen tai pariston kääntämiseen mikä aikaansaa virran vaihtumisen sen kuormituksen kautta, joka on liitettynä tällaiseen paristoon. Kun kierretään koskettimia 3 ja 4 kuviossa 2A määrän 90° vastapäivään ja myötäpäivään voidaan nyt saada kuvioiden 2C ja 2D mukaiset järjestelyt. Kun laserpulssi suunnataan kalvoa 1 kohden käyttäen jompaa kumpaa näistä esitetyistä kosketinjärjestelyistä ei tällöin esiinny mitään tuloksena olevaa ulostulojännitettä. Tämä esitetään aika-asteikolla 10 kuviossa 2C ja 2D. Kun kierretään koskettimia tai elektrodeja 3 ja 4 määrän 45° verran myötäpäivään kuviossa 2A esitetystä asemesta ja 45° myötäpäivää kuviossa 2B esitetystä asennosta saadaan kuvioiden 2E ja vastaavasti 2F esittämät järjestelyt. Kuvion 2E mukainen järjestely kehittää ulostulosignaalin jossa on aaltomuoto 11, jolla on sama napaisuus kuin mikä on aaltomuodolla 8 kuviossa 2A, mutta on sillä alentunut amplitudi. Samalla tavalla kehittää kuvion 2F mukainen järjestely ulostulon aaltomuodon 12, jolla on sama napaisuus kuin aaltomuodolla 9 kuviossa 2B mutta oleellisesti alentunut amplitudi ('~C7V).

Edellä olevan perusteella tulisi käydä ilmi, että koskettimien suuntausta aikaansaatuun poikittaisjännityksen suuntaukseen verrattuna voidaan ? 65492 käyttää» jotta samalla laserpulssilla aikaansaataisiin ulostulosignaali erilaisin amplitudein ja napaisuuksin. Tulisi myös olla ilmeistä) että tuloksena oleva termosähköinen jännite on funktio indusoidun anisotropian esiintymisestä) mikä tässä tapauksessa esiintyy kalvossa 1 olevan sisäisen jännityksen muodossa.

Kuten yllä on esitetty saattaa indusoitu anisotropia olla peräisin ulkopuolisesta aiheuttajasta, esim. magneettikentästä tai voidaan sitä myös vahvistaa kun se esiintyy sisäisten jännitysten muodossa lämpökäsittelyn avulla sellaisessa järjestelyssä) jossa kalvolla 1 ja alustalla 2 on keskenään erilaiset lämpölaajenemiskertoimet. Viimemainitussa tapauksessa saattaa molybdeenikalvO) joka huoneenlämpötilassa on sijoitettu lasinkaltaisen hartsin alustalle olla käsiteltävissä lämpökäsittelyssä lämpötilaan noin 600°C. Tämän lämpökäsittelyn jälkeen aikaansaa sama laserpulssi ulostuloilmiön, joka on noin neljä kertaa suurempi amplitudiltaan kuin ennen lämpökäsittelyä. Tästä käy ilmi, että voidaan välttää itsestään karkaistumista sillä edellytyksellä, että metallikalvon ja alustan lämpölaajenemisen kertoimet ovat riittävästi erilaisia, jotta ne aikaansaisivat jännityksiä tähän kalvoon 1 jäähtymisen jälkeen. Mitä koskee anisotropian indusoimista käyttäen ulkopuolista ilmiötä voidaan magneettikenttä saattaa vaikuttamaan käyttäen joko kestomagneettia tai sähkömagneettia niin että voimaviivat pyrkivät suuntaamaan metallikalvon seiniin. Tällaisissa olosuhteissa joutuu kalvo 1 tietyn magneettisesti indusoidun anisotropian kohteeksi, mikä johtaa ulostulojän-nitteeseen kun kalvoa säteilytetään laserpulssilla.

Kokeellisella tasolla aikaansaa fokusoitu laservalo, joka suunnataan höyrystettyä molybdeenikalvoa kohden, joka on sijoitettu läpinäkyvälle safiirialustalle ne oskilloskooppikuviot, jotka on esitetty kuviossa 3A ja 3B valaistaessa sitä etupinnalta ja vastaavasti taaemmalta pinnalta.

Tämä höyrystetty molybdeenikalvo on noin 1800 1 paksua kun taas laservirityk-sen aaltopituus on noin 4600 i, pulssin leveyden ollessa noin 3 nanosekuntia. Kuviossa 3A edustaa pystysuora akseli jännitettä asteikolla 0,2 V/cm kun taas vaakasuora akseli edustaa 5 nanosekuntia/cm. Kuvion 3B tapauksessa ovat koordinaatit 0,1 V/cm sekä 5 nanosekuntia/cm. (Tässä on myös käytetty vahvistinta, jonka jännitteenvahvistuskerroin 100 on käytössä sekä kuvion 3A että 3B tapauksessa).

Kuviot 3A ja 3B ovat havainnollistavia aaltomuotoja, jotka esittävät napaisuutta metallikalvoille indusoidulla anisotroplalla. Lähemmin määriteltynä esittää kuvio 3A ulostuloarvoa sellaista valoa varten, joka osuu metallikalvon puolelle kun taas kuvio 3B tarkoittaa valoa, joka osuu safiirialus-tan kautta. Erityisen mielenkiintoisia ilmiöitä ovat ensinnäkin jännitteen 10 65492 napaisuuden vaihtumisen funktiona osuvan valon suunnasta ja toisekseen pitkäaikaisempi pienenemiskulku perustasoon verrattuna kuviossa 3B laser-pulssin loppumisen jälkeen. Selitys näihin ilmiöihin samoin kuin niihin yleisempiin ilmiöihin, joita yllä on kuvattu on termosähköinen ilmiö. Asiaankuuluva ratkaisu Bolzmannin siirtoyhtälöön on virrantiheyttä J varten:

Ji - Vi ♦ «'il Tj »> Tässä ovat sekä K*^ matriisielementtejä toisen kertaluokan tensorei-ta varten (skalaarilukuja kuutiollisen symmetrian ja isotrooppisten väliaineiden tapauksessa), E on sähkökenttä ja T lämpötila. (Toistuneet indeksi-arvot lasketaan yhteen). Kun esitetään likiarvoksi J *< 0 tulee lausekkeeksi poikittaisjännitteelle V (avoimen piirin jännite) tämän kalvon tasossa: *»y

Tx - J(Ι_1)χ1 '’il Δ Tj <2> ** (5)

Integrointi tapahtuu elektrodien välisen alueen yli. K-1K* on negatiivinen arvo tarmosähköisen tehon tensorin itseisarvolle. Kun kyseessä on ympyrämäinen symmetrinen säde on ainoa asiaankuuluva lämpötilan gradientin komponentti auureellle V ΔΤ . Näistä yhtälöistä 1-3 käy ilmi, että jän- x, y z nitteen suunta vaihtuu edestäpäin ja takaapäin tapahtuvan valaistuksen muuttuessa (kuviot 2A ja 3B). Täydentävä ajasta riippuva lämpötilaprofiili vaaditaan havaittujen merkkien yksityiskohtien tulkitsemiseksi.

Kuvioissa 4A ja 4B esitetään yleisiä tuloksia, jotka saadaan tieto-koneratkaisuna kolmiulotteisista lämpövirtausten yhtälöistä ohuille moni-kerroekalvojen rakenteille, Kuviot 4A ja 4B esittävät käyrää lämpötilalle ympäristön lämpötilan yli funktiona paikalle edestäpäin ja vastaavasti takaapäin tapahtuvan valaisun tapauksessa käyttäen noin 3 nanosekunnin laser-pulssilla virittämistä. Näin aikaansaadut profiilit pätevät ajanhetkelle Tl, joka esiintyy välittömästi laserpulssin aloittamisen jälkeen, ajanhetkelle T2, joka esiintyy välittömästi ennen pulssin loppumista sekä ajanhetkelle T3, mikä ajanhetki on pian pulssin päättymisen jälkeen. Se ohjelma, jota tällöin käytetään on kuvattuna artikkelissa, jonka R.J. von Gutfelt sekä muut on kirjoittanut lehdessä "Journal of Applied Physics,"'43, 4688 (1972). Yleiset tulokset viiden nanosekunnin laserpulssia varten sopivat yhteen toisten laskelmien kautta kanssa käyttäen yksidimensionaalista analyysiä suurempia pulssinleveyksiä varten.

11 65492

Kuviossa 4A esitetään tasaisesti lisääntyvä lämpötila ja lämpötilagradientti loin on sijoitettu vaikuttamaan laserpulssi (käyrät Tl ja T2). Tämän pulssin loppumisen jälkeen (noin 5 nanosekuntia) laskee sekä lämpötila että lämpötilagradientti ajan mukana sitä mukaa kun kalvo 1 ja alusta 2 jäähtyvät ja lopuksi säteettäisen lämmön leviämisen kautta (käyrä T3)·

Kuvio 4B esittää tuloksena olevia lämpötilaprofiileita valolle, joka osuu kalvoon läpinäkyvän safiirialuetan 2 kautta tämän valon aikaansaadessa merkin, joka vastaa kuviossa 3B esitettyä. Tiettyä kalvonpaksuutta varten, joka ylittää optisen absorptiopituuden käänteisarvon muodostua lämpötilamak-simi vasemmalle päin kalvon ja alustan rajapinnasta. Kun valopulssi vaikuttaa siirtyy tämä maksimi kalvon 1 etupintaa (vapaata pintaa) kohden. Lyhyille pulsseille vaikuttaa tämän johdosta kaksi lämpötilagradienttia vastakohtaisin merkein kuten on esitetty käyrällä Tl. Keskiarvogradientillä on vastakkainen merkitys kuvioon 4A verrattuna, minkä johdosta jännite on napaisuudeltaan vastakkainen sille, joka saadaan valottamalla kalvon 1 vapaalta puolelta eli pinnalta käsin. Pulssin loppumisen jälkeen esittää käyrä T3 merkin vaihtumista gradientissa siihen verrattuna, mikä vallitsee käyrässä Tl, tämän hyvin vastatessa sitä osaa signaalista,joka on kuviossa 3H perusviivan yläpuolella. Valaistessa säfiirialustan 2 kautta voidaan havaita suurimmassa signaalissa noin 10 i lisäys, kun pisara vettä sijoitetaan kalvon 1 vapaalle pinnalle. Tällainen lisäys on odotettavissa, koska alkuvaikutus merkitsee lisäystä negatiiviseen lämpötilagradienttiin (käyrä Tl kuviossa 4B) kalvossa 1. Pitemmi11e pulsseille kuin noin 10 nanodekuntia pienentyy keskimääräinen lämpötilagradientti kalvossa pulssin pituuden kasvaessa sekä edestäpäin että takaapäin valaisun tapauksessa. Pitkillä laserpulsseilla viritykset pyrkivät tämän johdosta kehittämään jännitteitä, jotka ovat lyhyempiä kuin todellinen laserpulssi.

Jotta voitaisiin tarkkailla skalaarisesta poikkeavan tekijän vaikutusta arvoissa K^ sekä K'^ kalvon jännitykseen verrattuna viitataan lopuksi artikkeliin, jonka nimi on "Sisäiset jännitykset haihdutetun metallin kalvoissa" kirjoittanut E. Klokholm sekä B.S. Berry, Journal of Electrochemical Society, 115, 823 (1968). Tämä artikkeli koskee "paikanpäällä" tapahtuvia mittauksia sisäisistä jännityksistä lukuisissa kalvoissa lasialustalla. Vastaavia viivajännityksiä varten ovat jännityksen tensoriosat nyt kyseessä olevan keksinnön mukaisissa kalvoissa: δ13 (i 3) " b33 - °t 6U b22 mi niin että anisotrooppinen jännitys (e) lausuttuna kimmokertoinvakioina δ.

i J

tulee olemaan: 12 6 5 4 9 2 ε* (Sll + S12^

Ey * <S12 + Sll> εζ 2S12 (4)

Yhtälö 4 edellyttää tiettyä vääntymää kalvon isotropiassa ja täten tensorinmotoa suureelle Että suunta jännitteessä V max jo alusta käsin kiinnitetään tämän kalvon tasoon voi, vaikkakaan tätä ei ole täysin selvästi osoitettu, olla peräisin ytimenmuodosttiksen suunnasta tässä kalvossa sijoittamisen aikana niissä tapauksissa, jolloin magneettikenttää ei käytetä.

Jotta varmistettaisiin yhtäpitävyys jännityksen ja termosähköisen jannit©suuruuden välillä on höyrystetty joukko kalvoja joilla on pääasiallisesti ottaen yhtäläinen paksuus käyttäen kahta erillistä lämpötilaa, nimittäin 150°C ja 450°C. Kun kyseessä on molybdeenikalvo safiirialustalla aikaansai korkeammassa lämpötilassa muodostettu kalvo signaalin,joka old. suuruudeltaan väliltä 6-10 kertaa pienempi kuin signaali sillä kalvolla, joka oli muodostettu alustalle 150°C lämpötilassa. Tämä tulos vastaa yllämainittua teoriaa kyseisessä Klokholmin ja muiden artikkelissa, jossa sisäisen kalvon jännityksen edellytetään tulevan pieneksi alueella Tg/Tm suurempi kuin 1/4 jossa Tg on alustan absoluuttinen lämpötila sijoittamisen aikana ja Tq on absoluuttinen metallikalvon sulamislämpötila. Verrattiin myös valojännitettä käyttäen 1800 Ä volframikalvoa joka oli höyrystetty safiirialustalle 150°C lämpötilassa sekä pienjännitteistä epitaksisesti kasvatettua 1000 1 paksua kalvoa safiirialustalla keskenään verraten. Viimemainitulla järjestelyllä aikaansaadut jännitteet olivat likimain 5 kertaa pienempiä.

Ilmiöitä, jossa ohuihin kalvoihin vaikutetaan kohonneissa lämpötiloissa on tutkittu aina 250°C arvoon saakka. Havaitaan likimain suoraviivainen ulostulosignaalin lisääntyminen kun esiintyy noin 15 $> suuruinen lisäys ulostulojännitteessä 250°C lämpötilassa huoneen lämpötilaan verrattuna. Tämä lisäys vastaa pääasiallisesti ottaen suoraviivaista riippuvuutta valojän-nitteessä rasituksiin nähden, jolloin juovajännitykset lisääntyvät likimain differentiaalisesti lämpölaajenemiseen ja ympäristön lämpötilaan verrattuna.

Muut havainnot käyttäen molybdeeniä tulenkestävällä kvartsialustalla, jossa metallikalvo ja alusta omaavat voimakkaasti keskenään erilaiset läm-pölaajenemiskertoimet ovat osoittaneet, että on mahdollista lisätä ulostu-lojännitettä sijoittamalla metallikalvo huoneenlämpötilassa ja käsittelemällä sitä termisesti noin 600°C lämpötilaan, minkä jälkeen järjestely saa 15 65492 jäähtyä huoneen lämpötilaan. Lisää kuumentaminen 800°C lämpötilaan tyhjiössä näyttää aikaansaavan karkenemista näin tuloksena olevine suurine pienenty-misineen termosähköisessä vaikutuksessa ja ilmiössä.

Maikkakaan heijastusta estävät päällysteet eivät ole välttämättömiä tämän keksinnön sisältävissä sovellutuksissa suurella osalla kyseessä olevia sähkömagneettisia aaltoja, tulee toiminta spektrin infrapunaisella alueella (3 mikronia suuremmille aaltopituuksille) oleellisesti parantumaan käytettäessä heijastuman estävää päällystettä (normaalisti neljänneksen aaltopituudesta paksuista) valmistettuna esim. germaaniumista tai litiumfluo-ridista. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää absorboivia ohuita kerroksia.

Tämä apukeino on käyttökelpoinen korkean heijastumiskyvyn johdosta metalleissa infrapunaisella alueella.

Ylläolevasta käy ilmi, että höyrystetyt tai tyhjiösijoitetut metalli*· set kalvot indusoituina anisotropioineen nyt kyseessä olevan keksinnön mukaisten periaatteiden mukaisesti vaikuttavat hyvin lupaavilta nopeina optisina ilmaisimina yleisesti ottaen leveämmällä lämpötilojen ja aaltopituuksien alueella samanaikaisesti kuin niistä muodostuu mielenkiintoinen työkalu tutkittaessa ohuiden kalvojen jännityksiä.

Claims (11)

14 6 5 4 9 2

1. Laite sähkömagneettisten aaltojen havaitsemiseksi, tunnettu ohuesta kalvosta (1), joka on johtavaa ainetta, johon on indusoitu anisotro-piaa, ainakin yhdestä koskettimien parista (3, 4), jotka on sähköisesti liitetty kalvoon, sekä välineistä, joihin sisältyy elimet (5) kalvon paikalliseksi kuumentamiseksi kohdistetun energian avulla ja joilla synnytetään kalvoon lämpö-tilagradientti suunnassa, joka muodostaa suoran kulman kalvon tason kanssa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että elin kalvon paikalliseksi kuumentamiseksi on elektronisäde.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että elin kalvon paikalliseksi kuumentamiseksi on laserpulssi.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että johtava aine on metallinen.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu lisävälineis- tä (6, 7), jotka on kytketty sähköisesti koskettimien (3, 4) väliin ja jotka reagoivat ulostulojännitteen esiintymiseen, kun lämpötilagradientti synnytetään kalvoon (1).

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että välineet, joilla lämpötilagradientti synnytetään, käsittävät sähköä eristävän alustan (2), joka on sovitettu tukemaan kalvoa, jolloin elin (5) kalvon osan kuumentamiseksi kuumentaa myös alustaa.

7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että kosketinparin (3, 4) koskettimet ovat liukukoskettimia, jotka on sovitettu liu-kukosketukseen ohuen kalvon kanssa.

8. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että metallinen aine on siirtymämetallia.

9. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että metallinen aine koostuu titaanista, vanadiinista, kromista, koboltista, nikkelistä, raudasta, tantaalista, volframista, uraanista, osmiumista, indiumista, platinasta tai molybdeenistä.

10. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laite, tunne ttu siitä, että lämpötilagradientin muodostumisen edistämiseksi on ylimääräisiä välineitä, jotka sisältävät heijastusta estävän kerroksen, joka absorboi ainakin sillä sähkömagneettisella aallonpituudella, jota havaitaan, joka kerros on sovitettu ohuen kalvon päälle.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen laite, tunnettu siitä, että heijastusta estävä kerros on sen sähkömagneettisen aallonpituuden, jota havaitaan, neljänneksen vahvuinen. 15 65492