FR2639125A1 - Procede de mesure de la repartition spatiale de l'intensite de rayonnement electromagnetique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne les procédés de mesure des caractéristiques principales d'un rayonnement électromagnétique. Le procédé de mesure selon l'invention consiste en ce que l'on effectue une transformation de codage de la répartition spatiale de l'intensité du rayonnement électromagnétique en signal électrique à l'aide de l'effet Josephson stationnaire, en dirigeant ce rayonnement directement sur une jonction Josephson 2, on choisit en tant que signal électrique la variation du courant Josephson maximal sous l'action du rayonnement électromagnétique, on fait varier les paramètres de la transformation de codage, en choisissant en tant que paramètres les fréquences spatiales de la relation entre la densité du courant Josephson et les coordonnées dans le plan de la jonction 2 et en soumettant la jonction 2 à l'action d'un champ magnétique, on mesure la relation entre le signal électrique choisi et les paramètres choisis de la transformation de codage et l'on effectue ensuite une transformation de décodage réciproquement univoque de la relation mesurée entre le signal électrique choisi et les paramètres choisis de la transformation de codage par transformation intégrale de Fourier. L'invention peut être utilisée pour les recherches dans la physique de l'état solide, la physique du plasma, la médecine, la biologie, la physique du laser, l'électronique, la métrologie.
Description
1.
"PROCEDE DE MESURE DE LA REPARTITION SPATIALE
DE L'INTENSITE DE RAYONNEMENT ELECTROMAGNETIQUE".
La présente invention concerne les procédés de mesure des principales caractéristiques d'un rayonnement électromagnétique et a notamment pour objet un procédé de mesure de la répartition spatiale de
l'intensité de rayonnement électromagnétique.
L'invention peut être utilisée pour les recherches scientifiques dans la physique de l'état solide, la physique du plasma, la médecine, la biologie, la physique laser, les études de matériaux, l'électronique, la métrologie, pour l'enregistrement d'images dans les différents domaines du spectre d'ondes électromagnétiques, surtout dans le domaine infrarouge, pour les mesures de la répartition d'intensité dans les sections transversales de faisceaux laser, pour le contrôle de l'homogénéité des
propriétés optiques des éléments du matériel à infra-
rouge, dans les dispositifs opto-électroniques de traitement d'information. Le procédé peut également être utilisé pour l'enregistrement des répartitions spatiales de particules, par exemple dans les faisceaux
d'électrons ou de particules c.
On connait un procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité du rayonnement électromagnétique (J. LLOID, "Systèmes de vision à infrarouge", 1978, Mir, Moscou, p.23-27) selon lequel un fragment de la répartition spatiale de l'intensité du rayonnement électromagnétique est dirigé sur un récepteur de rayonnement électromagnétique, puis on effectue l'exploration c'est-à-dire qu'on change successivement dans le temps la position (xn(t), yn(t)) du récepteur par rapport à la répartition à mesurer W(x,y), on mesure le signal électrique aI du récepteur comme la fonction de sa position (xn(t), Yn(t)), on traite la fonction du temps I(t) pour améliorer le rapport signal/bruit et -le contraste et ensuite on transforme la fonction du temps C I(xn(t), Yn(t)) en
image optique stationnaire.
L'opération de balayage séquentiel effectuée normalement au moyen de dispositifs opto-mécaniques a pour effet de compliquer le procédé et est à l'origine de l'insuffisance de sa sensibilité et de sa résolution. On connait un autre procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité de rayonnement électromagnétique différent de celui ci-dessus décrit en ce qu'il utilise des réseaux à N éléments de récepteurs, présentant aussi bien des structures linéaires et bidimensionnelles discrètes (J. LLOID, "Systèmes de vision à infrarouge", 1978, Mir, Moscou, p.291-293; Radioélectronika za rubezhom, fasc.5, 1985; L.F. BURLAK "Détecteurs d'infrarouges en mosaïque", p.2), que des structures continues du type SPRITE (GB, B, 1488258; Radioélectronika za rubezhom, fasc. 5, 1985; L.F. BURLAK, "Détecteurs d'infrarouges en
mosaïque", p.6).
Dans ce procédé, il est possible d'améliorer le rapport signal/bruit de N fois. Or, ce procédé utilise, lui aussi, l'opération de balayage, ce qui complique substantiellement le procédé, sans parler des difficultés liées à l'enregistrement et au traitement simultanés de N relations temporelles de signaux électriques 4In(t). En outre, dans le procédé utilisant des réseaux multiéléments de récepteurs il est impossible d'obtenir une haute résolution spatiale par suite de la diaphonie entre les éléments des
réseaux.
On connaît également un procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité (Opt. Soc. Am., v.65, n' 6, 1975, D.W. DAVIES "Spatially multiplexed infrared camera", p.707 à 711) qui consiste en ce qu'on effectue une transformation codage de la répartition effectue une transformation codage de la répartition spatiale de l'intensité de rayonnement électromagnétique en un signal électrique à l'aide d'un jeu de masques optiques transmetteurs orthogonaux et d'un récepteur de rayonnement, on modifie les paramètres de la transformation codage par substitution d'un masque de codage à un autre, on mesure la relation entre le signal électrique et les paramètres de la transformation codage, en enregistrant le signal
électrique Ii à la sortie du récepteur pour chaque i-
ème masque de codage et on effectue ensuite la transformation décodage réciproquement univoque, à l'aide d'un ordinateur, de la relation mesurée entre le signal électrique et les paramètres de la
transformation codage.
L'opération de codage optique en tant que première étape de la transformation codage est habituellement effectuée à l'aide de masques optiques mécaniquement déplacés. La résolution du procédé est dans ce cas déterminée par les dimensions du plus petit élément du masque de codage. Les difficultés d'ordre technologique ne permettent pas d'obtenir les plus petits éléments des masques de codage de dimensions suffisamment petites. La précision de fabrication des éléments des masques de codage détermine non seulement la résolution mais aussi la précision de mesure des répartitions spatiales (L.M. SOROKO, "Systèmes multiplex de mesure dans la physique", 1980, Atomizdat, Moscou, p.p.31,32). En outre, la réduction des dimensions des éléments des masques de codage nuit à l'efficacité du codage optique du rayonnement à mesurer par suite de la diffraction du rayonnement aux éléments de faibles dimensions des masques de codage. Etant donné cette diffraction aux masques à la dimension dmin, il devient très difficile d'appliquer le procédé dans le domaine infrarouge à longueurs d'ondes plus grandes, o la longueur d'onde x commence à s'approcher de dmin. Donc l'opération de codage optique rend le 4. procédé compliqué et est & l'origine de sa faible résolution spatiale et ne permet pas d'avancer dans le
domaine d'ondes longues.
On s'est donc proposé de créer un procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité du rayonnement électromagnétique dans lequel la transformation de codage de la répartition spatiale de l'intensité de rayonnement électromagnétique en signal électrique, grâce aux phénomènes photo-électriques se déroulant dans les structures semi-conductrices sous l'action du champ magnétique, et la transformation de décodage réciproquement univoque de la relation mesurée entre le signal électrique et les paramètres de la transformation de codage se réaliseraient de telle façon qu'il soit possible de simplifier le processus de
mesure et d'améliorer la résolution spatiale.
Le problème ainsi posé est résolu du fait que dans un procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité de rayonnement électromagnétique on effectue un transformation de codage de la répartition
spatiale de l'intensité de rayonnement électro-
magnétique en un signal électrique, on modifie les paramètres de la transformation de codage, on mesure la relation entre le signal électrique et les paramètres de la transformation de codage et on effectue la transformation de décodage réciproquement univoque de la relation mesurée entre le signal électrique et les paramètres de la transformation de codage. Selon l'invention, la transformation de codage de la répartition spatiale de l'intensité de rayonnement électromagnétique en signal électrique est effectuée à l'aide de l'effet stationnaire Josephson, en dirigeant le rayonnement électromagnétique directement sur une jonction Josephson ayant une longueur et une largeur ne dépassant pas la profondeur Josephson de pénétration du champ magnétique dans la jonction constituée de deux électrodes supraconductrices et d'une barrière interposée entre ces électrodes, on choisit en tant que signal électrique la variation du courant Josephson maximal sous l'effet du rayonnement électromagnétique et en tant que paramètres de la transformation de codage les fréquences spatiales de la relation entre la densité du courant Josephson et les coordonnées dans le plan de la jonction Josephson, on fait varier ces fréquences spatiales entre zéro et la valeur inverse à la résolution spatiale voulue par l'action d'un champ magnétique extérieur sur lajonction Josephson, alors que la transformation de décodage réciproquement univoque de la variation du courant Josephson maximal de la jonction Josephson sous l'action d'un rayonnement électromagnétique en fonction des fréquences spatiales
est effectuée par transformation intégrale de Fourier.
Il est préférable dans le procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité du rayonnement électromagnétique, lorsque cette répartition spatiale est arbitraire, que ce rayonnement électromagnétique soit dirigé sur une partie de la
surface de la barrière de la jonction Josephson.
Il est avantageux dans le procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité du rayonnement électromagnétique, lorsque cette répartition spatiale est quelconque, que ce rayonnement soit dirigé sur une partie de la surface de l'une des
électrodes supraconductrices de la jonction Josephson.
Il est avantageux- dans le procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité du rayonnement électromagnétique, lorsque cette répartition spatiale est - paire, de diriger ce rayonnement électromagnétique sur toute la surface de
la barrière de la jonction Josephson.
Il est efficace dans le procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité du rayonnement électromagnétique, lorsque cette répartition spatiale est paire, de diriger ce rayonnement électromagnétique sur toute la surface de l'une des électrodes
supraconductrices de la jonction Josephson.
Il est également préférable dans le procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité de choisir en tant que jonction Josephson une jonction à répartition uniforme de la densité du courant Josephson maximal en l'absence de champ magnétique extérieur. Le procédé revendiqué de mesure de la répartition spatiale de l'intensité du rayonnement électromagnétique permet de simplifier le processus de mesure, d'améliorer la résolution spatiale en augmentant sa capacité d'information et d'élargir le domaine spectral d'application du procédé du côté
d'ondes plus longues.
L'invention sera mieux comprise à la lecture
de la description qui va suivre et des exemples de
réalisation, en se référant aux dessins annexes dans lesquels: - la figure 1 représente la vue d'ensemble d'une jonction Josephson et un rayonnement électromagnétique à une répartition bidimensionnelle paire dirigé sur toute la surface de l'une des électrodes supraconductrices de cette jonction, selon l'invention; - la figure 2 représente la même jonction que la figure 1 et le rayonnement électromagnétique à une répartition unidimensionnelle quelconque de l'intensité - dirigé sur une partie de la barrière de la jonction Josephson, selon l'invention; - la figure 3 représente le schéma fonctionnel d'un dispositif pour la réalisation du procédé de mesure de la répartition spatiale de
l'intensité de rayonnement électromagnétique.
Le procédé proposé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité d'un rayonnement électromagnétique se base sur l'interaction de la répartition spatiale de l'intensité du rayonnement
électromagnétique avec la répartition spatiale-
périodique des courants engendrés dans les jonctions
Josephson sous l'effet d'un champ magnétique.
Il existe deux possibilités pour réaliser cette interaction. Premièrement, un rayonnement de répartition d'intensité W(x,y) peut être dirigé sur une des électrodes d'une jonction Josephson. Dans ce cas, le rayonnement aux fréquences Q > 2A/, o 2E représente l'écart énergétique de l'électrode supraconductrice à film mince et h représente la constante de Planck, provoque la rupture des paires
d'électrons supraconducteurs et la formation de quasi-
particules non équilibrées.
Si la longueur de diffusion LD des quasi-
particules est inférieure aux longueurs caractéristiques A L de variation de W(x,y), la répartition de la densité n(x,y) des quasi-particules non équilibrées est directement proportionnelle à la répartition de l'intensité W(x,y) du rayonnement. Cela est valable dans le cas de faibles intensités W. L'apparition des quasi-particules non équilibres conduit à une modification de la répartition spatiale de l'écart énergétique n (x,y) dans l'électrode et, par conséquent, à une modification /jc(x,y) de la densité critique du courant Josephson (A. BARONE, G. PATERNO, "Effet Josephson", Physique et application,
1983, Mir, Moscou, p.p.68, 96 à 98).
Les longueurs caractéristiques de variations À (x,y) et âjc(x,y) étant nettement inférieures & la longueur de diffusion LD, la variation 4jc(x,y) de la densité critique du courant est directement proportionnelle à W(x, y), si LD < aL. Le rayonnement peut également provoquer une variation de la température 6 T(x,y) de l'électrode de la jonction et, par conséquent, une variation de la densité
critique du courant Josephsonjc(x,y)-AT(xy)-KW(x,y).
La variation c j(x,y) est alors proportionnelle à W(x,y), si la longueur caractéristique de conductibilité thermique P dans le film est inférieure aux longueurs caractéristiques A L
de variation de W(x,y).
Deuxièmement, le rayonnement d'une répartition W(x,y) peut être dirigé sur la barrière de la jonction. Cette possibilité peut être réalisée à l'aide des jonctions à barrière photosensible. Dans ce cas, la variation A jc(x,y) est proportionnelle à W(x,y), si la dimension caractéristique des hétérogénéités de la barrière provoquées par le rayonnement ne dépasse pas les longueurs
caractéristiques de variation de l'intensité W(x,y).
Ainsi donc, si dans les cas ci-dessus évoqués les conditions indiquées sont réalisées, la répartition spatiale de l'intensité W(x,y) peut être transformée en variation de la répartition spatiale de la densité critique de courant àjc(x,y) de la jonction Josephson, de sorte que 4jc(x, y) -à_ W(x,y). Le rayonnement peut également provoquer une variation de la répartition spatiale du déphasage constant r,(Px,y), or, comme il a été démontré dans l'ouvrage (Phys. Rev. B., vol.31 N' 9, 1985, Y.Y. CHANG, C.H.Ho, D.Y. SCALPINO, "Non local response of Josephson tunnel junctions to a focused Laser beam", p.p. 5826-5836), de tels effets non locaux, avec Aijc <" jco, sont négligeables dans les jonctions aux dimensions L < A:, o AT est la profondeur Josephson de pénétration du champ magnétique
dans la jonction.
Pour le fondement mathématique du procédé profitons de l'expression connue relative au courant Josephson maximal Ic d'une jonction se trouvant dans un champ magnétique - X + ey. Pour une jonction rectangulaire W W L,<X4L on a: L 2r r -i2S7 (k5X.-x+ 'wY) io(kky)=j dy jx jo(x,y)e (1) o k. k =o u; = 2,07 lO-7Gs'c2 est est le quantum du flux magnétique; d = t;+ Ll + A L2 est la profondeur de pénétration du champ magnétique dans la jonction Josephson; t est l'épaisseur de la barrière; A Ll' >-L2 sont les profondeurs London de pénétration du champ magnétique dans les électrodes supraconductrices de la jonction Josephson,
l'expression (1) est valable pour L, W < .
Il en ressort que la valeur du courant Josephson maximal IC(kx, ky) est égale au module de la transformation de Fourier de la répartition spatiale de
la densité critique jc(x,y) du courant Josephson.
De l'expression (1) on peut obtenir la relation entre la variation du courant critique %Ic(jkxky) = Ic(kxky) - Ico(kxky) sous l'effet du rayonnement et la variation de la répartition spatiale
de la densité critique du courant 4jc(x,y) = iJc(x,y)-
ico(x,y). A condition que: Vic(cY y): ijco et Jco = constante on a L
2 2
-i2! (kxY.+k) 1cy)(2) Xy Id-v-mc(,)
2
c'est-à-dire que la variation du courant critique a Ic(kxky) est égale à la partie réelle de la transformation Fourier de la variation de la
répartition spatiale de la densité critique du courant.
Pour simplifier l'établissement de l'équation (2), il a été posé que iJco constante. Or, on peut obtenir une expression analogue à l'équation (2)
également pour iJco = constante.
Par transformation inverse Fourier on obtient de (2): i2.7 (k- x+k.y) (x, Y e- (3) xy) <jc(X,y)= dk xd<kyAc(kx, ky)e ( c'est-à-dire qu'en appliquant la transformation de Fourier à la relation mesurée entre 1.0 la variation du courant critique I Ic et le champ magnétique on peut obtenir la partie paire Mj': de la variation de la répartition de la densité du courant critique de la jonction, soit la partie ayant la propriété Aj'i(-X,-y) = Aj'ic(X,y). Si le rayonnement électromagnétique se caractérise par une répartition spatiale paire de l'intensité W'(x,y), ce qui est le cas, par exemple, des faisceaux laser, des résonateurs et des conduits de lumière, la formule (3)
donne la répartition recherchée de l'intensité W(x,y).
En cas d'une répartition arbitraire de l'intensité W(x,y) et, par conséquent, d'une répartition arbitraire de ijc(x,y), on peut recourir à l'analogie entre le procédé revendiqué et le processus de formation d'une image optique. Cette analogie permet de profiter des méthodes de résolution de problèmes inverses dans l'optique (sous la réd. de B.P. BOLTS, "Problèmes inverses dans l'optique", 1984, Machinostroyenie, Moscou, p.p. 28-29) dans notre cas. Comme il a été déjà indiqué pour une répartition arbitraire de l'intensité W(x,y), le rayonnement peut être dirigé sur une partie de la surface de l'électrode supraconductrice ou de la barrière. Ainsi, par exemple, le rayonnement dont la répartition est à trouver peut être dirigé sur une moitié (x 0) d'une jonction rectangulaire. Dans ce il cas, la répartition arbitraire 3jc(x,y) provoquée par W(x,y) peut être reconstituée à l'aide de la formule: lW x, y) - j'c(x,y) = JfdkAidk cIl(kx,kY) e(4)( x $ O _= L'expression (4) permet, à partir de la relation mesurée LIrc(kx,ky), de reconstituer la répartition spatiale arbitraire recherchée de
l'intensité W(x,y) du rayonnement électromagnétique.
Le procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité d'un rayonnement électromagnétique selon l'invention consiste en ce qu'on effectue une transformation de codage de la répartition spatiale de l'intensité du rayonnement électromagnétique en un signal électrique à l'aide de l'effet stationnaire de Josephson, en dirigeant le rayonnement électromagnétique directement sur une jonction Josephson ayant une longueur et une largeur ne dépassant pas la profondeur Josephson de pénétration du champ magnétique dans la jonction et comprenant deux électrodes supraconductrices et une barrière interposée entre elles. On fait varier les paramètres de la transformation de codage, en choisissant en tant que paramètres les fréquences spatiales de la relation entre la densité du courant Josephson et les coordonnées dans le plan de la jonction Josephson, par l'action d'un champ magnétique extérieur sur la jonction Josephson, et en faisant varier les fréquences spatiales entre le zéro et une valeur inverse à la résolution spatiale de consigne. On mesure la relation entre le signal électrique et les paramètres de la transformation de codage, en choisissant en tant que signal électrique la variation du courant Josephson maximal de la jonction Josephson sous l'action d'un rayonnement électromagnétique. On effectue ensuite une transformation de décodage réciproquement univoque de la relation entre la variation du courant Josephson maximal de la jonction Josephson sous l'action du rayonnement électromagnétique et les fréquences spatiales, au moyen de la transformation intégrale de Fourier. En cas d'une répartition spatiale arbitraire de l'intensité du rayonnement électromagnétique on dirige ce rayonnement électromagnétique sur une partie de la surface de la barrière de la jonction Josephson ou sur une partie de l'une de ses électrodes !0
supraconductrices.
En cas de répartition spatiale paire de l'intensité du rayonnement électromagnétique, on dirige ce rayonnement électromagnétique sur toute la surface de la barrière de la jonction Josephson ou sur toute la
surface de l'une de ses électrodes supraconductrices.
En tant que jonction Josephson on choisit une jonction dans laquelle la répartition de la densité du courant Josephson maximal est uniforme en l'absence de
champ magnétique extérieur.
Un schéma de réalisation du procédé selon l'invention pour le cas de mesure d'une répartition paire de l'intensité W(x,y) à une résolution spatiale àL = 20J est représenté sur la figure 1. Le rayonnement à examiner est dirigé sur toute la surface de l'électrode supraconductrice Pb supérieure 1 d'une jonction tunnel 2 Josephson Pb-PbO-Pb comprenant une autre électrode Pb 3 et une barrière 4 interposée entre les électrodes 1 et 3; la longueur LD de diffusion des quasi-particules dans l'électrode Pb est de 6 pm, soit inférieure à la résolution spatiale prédéterminée: À UL = 20 "m. Le courant critique de la jonction Josephson 2 aux dimensions L, W ^- A.r est: _ JA h -3mA c c r 2ep0d o 0 est la perméabilité magnétique du vide; o e est la charge d'électron;
o ( h et d: voir plus haut).
La mesure des relations Ic(H) pour les jonctions à un tel courant critique est décrite dans l'ouvrage Phys. Rev. B., vol 3, N 9, 1971, R.C. Dynes, T.A. Fulton, "Supercurrent Density Distribution in Josephson Junctions", p.p. 3015 à 3023. Il ressort de cet ouvrage que les mesures de Ic(H) sont possibles pour les champs magnétiques entre zéro et au moins 8 Gs. La valeur du champ magnétique H-- 8 Gs correspond à la valeur kmax suivante de la fréquence spatiale de la relation entre la densité du courant Josephson et les coordonnées:dH kmax = g = 5102 cm-1 maxq ce qui permet d'obtenir une résolution spatiale: 4t à = 20 pm, soit la résolution krhax voulue. Donc, l'opération de changement des fréquences spatiales de la structure de courant dans l'effet stationnaire Josephson sous l'action d'un champ magnétique entre le zéro et une valeur inverse & la résolution requise (20 Um en l'occurrence) est réalisable. La valeur Ic(8 Gs) est égale à 100 pA et, comme la valeur de bruits est de 1 pA, il est possible avec de telles valeurs de Ic(Hmax) et des courants de bruit de mesurer les variations du courant Josephson maximal ÉIc d'une valeur 'Ic ' 0,1 Ic avec une précision meilleure que 10%. On applique à la relation mesurée aIc(kx,ky) la transformation inverse de Fourier suivant la formule (4) et l'on obtient la répartition recherchée de l'intensité W(x,y). Cette estimation démontre la faisabilité des mesures de A41(kx,ky) dans une gamme des valeurs des fréquences spatiales k entre 0 et 5.10-2 cm-1 avec un rapport signal/bruit à kmax d'au moins 10. Les résultats de l'ouvrage indiqué font ressortir la possibilité d'obtenir également une plus grande résolution. Comme la valeur des maxima locaux de Ic(H) est inversement proportionnelle au champ magnétique H, la valeur de variation I Ic(H) égale à 0,lic(H) devient égale à la valeur du courant de bruit IN=2 pA dans un champ magnétique H - 102 Gs. Cela correspond à la fréquence spatiale maximale kmax -- 5.103 cm-1 et
donc à une résolution spatiale de 2 um.
Il est également possible de mesurer la répartition spatiale d'un rayonnement, en dirigeant ce rayonnement aussi bien sur une partie de la surface de l'une des électrodes 1, 3 (non représenté sur le dessin) que sur une partie de la surface de la barrière 4 (figure 2) de la jonction Josephson 2 à l'aide d'un masque 5. On peut utiliser dans ce but par exemple les jonctions Josephson décrites dans Appl. Phys. Lett., vol. 46, N' 1, 1985, T.Kawakami, H. Takayanagi, "Single-crystal n-In AS coupled Josephson junctions",
pp. 92 à 94.
Un cas d'utilisation des jonctions pour la
mesure d'une répartition longitudinale uni-
L dimensionnelle de l'intensité W(x) (- -- < x < 0) du rayonnement est représenté sur la figure 2. Le rayonnement tombant sur la barrière semiconductrice 4 peut provoquer un changement de la répartition de la concentration n(x) des porteurs dans la barrière 4, et par conséquent, un changement de la densité critique de courant kjc(x). La dimension des hétérogénéités provoquées par le rayonnement dans la barrière 4 est déterminée par les longueurs caractéristiques d'étalement des porteurs dans le semi-conducteur et est inférieure à 10 jum. En faisant varier le champ magnétique H appliqué en parallèle & la barrière 4, on mesure la fonction dudit champ magnétique - courant critique 4Ic(H). Ensuite, on effectue la transformation inverse de Fourier de la fonction mesurée et l'on reconstitue la répartition recherchée de l'intensité W(x) dans la gamme (- t- < x 0) suivant la formule (4). L'univocité de la reconstitution est assurée par le fait que le rayonnement est dirigé sur une moitié de
la barrière 4.
En se servant du masque 5 on peut diriger le rayonnement électromagnétique sur une partie de la surface de l'une des électrodes supraconductrices (cas non représenté sur le dessin) ou bien, sans se servir du masque 5, diriger ce rayonnement électromagnétique sur toute la surface de la barrière 4 (cas non
représenté sur le dessin).
Pour donner un exemple de réalisation du procédé de mesure d'une répartition spatiale symétrique unidimensionnelle de l'intensité, la figure 3 représente un dispositif comprenant, disposés dans le sens du rayonnement électromagnétique à la répartition spatiale unidimensionnelle recherchée de l'intensité W(x), un modulateur 6 et une jonction Josephson 2. La jonction 2 est électriquement reliée à une source de courant 7 et à un amplificateur de tension 8. Une résistance 9 montée dans un circuit de contrôle de courant est reliée à l'entrée d'un amplificateur de tension 10 dont la sortie est branchée sur un bloc 11 d'échantillonnage et de stockage de signaux. La sortie de l'amplificateur de tension 8 est reliée à l'entrée d'un bloc conformateur d'impulsions 12 dont la sortie est reliée à une autre entrée du bloc d'échantillonnage et de stockage de signaux 11. La sortie du bloc d'échantillonnage 11 est branchée sur l'entrée d'un synchrodétecteur 13 dont une autre entrée est reliée à l'une des sorties d'un bloc d'alimentation 14. Une autre sortie du blnc d'alimentation 14 est branchée sur un moteur électrique 15 commandant le modulateur 6. La sortie du synchrodétecteur 13 est branchée sur l'entrée d'un convertisseur analogique-numérique 16 dont la sortie est reliée à l'entrée d'une interface numérique 17. L'entrée-sortie de l'interface numérique 17 est reliée à un ordinateur 18 et la sortie à un convertisseur numérique-analogique 19. La sortie de ce dernier est reliée à un solénoïde 21 par l'intermédiaire d'un amplificateur de courant 20. Le solénoïde 21 et la jonction Josephson 2 sont placés
dans un cryostat (non représenté sur le dessin).
Le système d'enregistrement du courant Josephson maximal comprenant la source de courant 7, l'amplificateur de tension 8, la résistance 9, l'amplificateur de tension 10, le bloc d'échantillonnage et de stockage de signaux 11 et le bloc conformateur d'impulsions 12 est décrit en détail dans "Rev. Sci. Inst.", v.49, N 12, 1978, R.W. Simon, P. Landmeier, "Self-contained automatic recorder of the
Josephson current".
Le procédé de mesure de la répartition
spatiale de l'intensité d'un rayonnement électro-
magnétique est réalisé dans le dispositif ci-dessus décrit de la façon suivante. On effectue d'abord la transformation de codage de la répartition spatiale de l'intensité du rayonnement électromagnétique en signal électrique, en dirigeant le rayonnement électro-
magnétique au moyen du modulateur 6 sur la jonction Josephson 2 se trouvant dans le champ magnétique H1 du solénoïde 21. A l'aide de la source de courant 7 on fait passer par la jonction 2 un courant alternatif 0Io dont l'amplitude dépasse celle du courant critique Ic de la jonction 2. Lorsque le courant 1o dépasse le courant critique Ic, il se produit à la jonction 2 un saut de tension qui est amplifié par l'amplificateur 8 et délivré au bloc conformateur d'impulsions 12; sur le signal à la sortie de celui-ci il se produit dans le bloc d'échantillonnage 11 l'échantillonnage des valeurs - de tension à la sortie de l'amplificateur de tension 10. Ces tensions V(t) sont proportionnelles aux valeurs
du courant critique Ic(t) de la jonction Josephson 2.
La valeur de Ic(t) est modulée à la fréquence égale à la vitesse de rotation du modulateur 6 et la modulation est détectée par le synchrodétecteur 13. Il se forme ainsi à la sortie du synchrodétecteur 13 un signal électrique proportionnel à la variation du courant josephson maximal zAI, qui arrive à l'ordinateur 18 à travers le convertisseur analogique-numérique 16 et
l'interface 17.
Au cours de la transformation de codage on fait varier ces paramètres; en choisissant en tant que paramètres les fréquences spatiales de la variation de la densité du courant Josephson en fonction des coordonnées dans le plan de la jonction Josephson et en soumettant la jonction Josephson 2 à l'action d'un champ magnétique extérieur. Apres la mesure de SIc dans le champ Hi, l'ordinateur 18 délivre, à travers l'interface 17, le convertisseur numérique-analogique 19 et l'amplificateur de courant 20, une instruction provoquant une variation du courant parcourant le solénoïde 21 qui forme un champ magnétique H2. Il se produit alors de manière analogue l'enregistrement de Ic(H)2 et cet enregistrement se répète pour toutes les valeurs des champs magnétiques entre 0 et Hmax jusqu'à ce que la valeur de la fréquence spatiale k ne dépasse la valeur inverse à la résolution exigée (voir
équation (1)).
On effectue ensuite la transformation de décodage réciproquement univoque de la relation entre la variation dIc du courant Josephson maximal de la jonction Josephson sous l'effet du rayonnement électromagnétique et les fréquences spatiales k au moyen de la transformation intégrale de Fourier suivant
la formule (4), dans l'ordinateur 18.
Le fait qu'on utilise pour les opérations de codage et de transformation en signal électrique un nouveau phénomène: l'effet stationnaire de Josephson, permet de supprimer le codage optique et donc la nécessité de faire varier les paramètres de codage optique. Cela simplifie considérablement le procédé puisque l'opération de codage optique s'effectue ordinairement à l'aide d'un jeu de masques mécaniquement remplacés. Dans le procédé selon l'invention, par contre, on met en oeuvre uniquement des phénomènes photo-électriques et magnétiques dans la structure d'un solide (de la jonction Josephson) en se
passant de tout processus optico-mécanique.
La résolution dans le procédé selon l'invention est déterminée par les longueurs caractéristiques de modulation des courants Josephson sous l'effet du champ magnétique et par les longueurs caractéristiques des processus photo-électriques se déroulant dans les électrodes supraconductrices ou dans la barrière de la jonction Josephson. Ces longueurs caractéristiques ne sont liées à aucune dimension géométrique et peuvent être rendues suffisamment petites, y compris inférieures à la longueur d'onde)% du rayonnement. Par exemple, pour la modulation spatiale d'un courant Josephson à la période AL --10 pm on n'a besoin que d'un champ magnétique H d'une valeur
Wo/d. aL * 20 Gs, ce qui est facilement réalisable.
Les longueurs caractéristiques des processus photo-
électriques dans les électrodes supraconductrices ont les dimensions de la longueur LD de diffusion des quasi-particules. La longueur LD est déterminée par l'expression: (6) LD =. P 't,, o est longueur de libre parcours; o <R est le temps efficace de recombinaison
des quasi-particules. Les estimations de LD pour le.
valeurs courantes de vF " 108 cm/s, Y 10-o6 cm, OR -8 s donnent une valeur de LD " 6 pm. On peut rendre aussi petites (quelques microns) les longueurs de conductibilité thermique It dans les électrodes supraconductrices à film mince dans les conditions de
chauffage local du film par le rayonnement électro-
magnétique. De même, on peut rendre petites ( <10 pm) également les longueurs caractéristiques de l'étalement des porteurs induits par le rayonnement dans la
barrière de la jonction, par exemple dans les semi-
conducteurs. De ce fait, les longueurs caractéristiques de modulation des courants josephson et des processus Josephson dans les jonctions Josephson peuvent être très petites ( < 10 pm), ce qui permet d'améliorer la
résolution spatiale dans le procédé selon l'invention.
Dans le cas, o le rayonnement est dirigé sur l'une des électrodes de la jonction, le procédé peut être utilisé dans le domaine d'ondes longues, du fait que premièrement, le procédé selon l'invention n'impose aucune limitation de diffraction liée à la longueur d'onde et que, deuxièmement, les jonctions supraconductrices utilisées dans le procédé revendiqué servent de photorécepteurs pour le rayonnement aux fréquences t 2 d /,. Les valeurs des écarts énergétiques 2 des supraconducteurs correspondent à la gamme d'ondes submillimétriques, ce qui permet d'élargir le domaine spectral d'application du procédé selon l'invention (depuis la gamme d'ondes
submillimétriques jusqu'à la gamme ultraviolette).
2639 1 25
Claims (6)
1) Procédé de mesure de la répartition
spatiale de l'intensité d'un rayonnement électro-
magnétique consistant en ce qu'on effectue une transformation de codage de la répartition spatiale de l'intensité du rayonnement électromagnétique en un signal électrique, on mesure les paramètres de cette transformation de codage, on mesure la relation entre le signal électrique et les paramètres de la transformation de codage et on effectue une transformation de décodage réciproquement univoque de la relation mesurée entre le signal électrique et les paramètres de la transformation de codage, caractérisé en ce que la transformation de codage de la répartition
spatiale de l'intensité du rayonnement électro-
magnétique en signal électrique est effectuée à l'aide de l'effet stationnaire Josephson, en dirigeant le rayonnement électromagnétique directement sur une jonction Josephson (2) ayant une longueur et une largeur ne dépassant pas la profondeur Josephson de pénétration du champ magnétique dans la jonction (2) et comprenant deux électrodes supraconductrices (3) et une barrière (4) interposée entre elles, en ce que l'on choisit en tant que signal électrique la variation du courant Josephson maximal de la jonction Josephson (2) sous l'action du rayonnement électromagnétique et en tant que paramètres de la transformation de codage les fréquences spatiales de la relation entre la densité du courant Josephson et les coordonnées dans le plan de la jonction Josephson (2), en ce que l'on fait varier ces fréquences spatiales entre le zéro et la valeur inverse à la résolution spatiale requise par l'action d'un champ magnétique extérieur sur la jonction Josephson (2) et que la transformation de décodage réciproquement univoque de la relation entre la variation du courant Josephson maximal sous l'action du rayonnement électromagnétique et les fréquences spatiales est
effectuée par transformation intégrale de Fourier.
2) Procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en cas d'une répartition spatiale arbitraire de l'intensité du rayonnement
électromagnétique on dirige ce rayonnement électro-
magnétique sur une partie de la surface de la barrière
(4) de la jonction Josephson (2).
3) Procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en cas d'une répartition spatiale
arbitraire de l'intensité du rayonnement électro-
magnétique, on dirige ce rayonnement électromagnétique sur une partie de la surface de l'une des électrodes
supraconductrices (1,3) de la jonction Josephson (2).
4) Procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en cas d'une répartition spatiale paire de l'intensité du rayonnement électromagnétique, on dirige ce rayonnement électromagnétique sur toute la surface de la barrière (4) de la jonction Josephson (2).
5) Procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en cas d'une répartition spatiale paire de l'intensité du rayonnement électromagnétique, on dirige ce rayonnement électromagnétique sur toute la surface de l'une des électrodes supraconductrices (1,3)
de la jonction Josephson (2).
6) Procédé de mesure de la répartition spatiale de l'intensité selon l'une quelconque des
revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on
choisit en tant que jonction Josephson (2) une jonction à la répartition uniforme de la densité du courant Josephson maximal en l'absence de champ magnétique extérieur.
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