NO131219B - - Google Patents

Description

Pyroelektrisk anordning.

Foreliggende oppfinnelse vedr drer en pyroelekt. risk anordning som omfatter et krystallinsk legeme av et py r oe 1ektr isk materiale forsynt med innretninger for fbling av en pyr oe 1ektr isk reaksjon på innfallende stråling, hvilket legeme har et maksimalt akustisk tap på 5f db/s ved en frekvens som tilsvarer en resonansfrekvens for et sådant legeme fritt opphengt.

Det å detektere en infrarod, elektromagnetisk stråling, dvs. en sådan med en bblgelengde over 7000 Å, har alltid vært vanskeligere enn å detektere strålinger med kortere bblge lengder. Den vanlige teknikk går ut på å omdanne sådan energi til varme-energi, hvilket bevirker en fysisk forandring i et dertil egnet materiale, ganske enkelt som folge av en temperaturøkning. Et eksempel er Golay-cellen som måler utvidelsen av en begrenset mengde gass som er således anordnet at den absorberer den infrarbde energi.

Det er innlysende at anvendelsen av sådanne varmev irknin-ger gir detektorer som både er begrenset med hensyn til sin modu-lasjofrekvensrespons og sin fblsomhet. Mens forbedringer som har funnet sted i lbpet av et stbrre antall år, har gitt anordninger

-7-1/2

som kan fole effektnivaer helt ned til 3-10 mW Hz ' , tillater en typisk modulasjonsf rekvensrespons detektering ved frekvenser som ikke ligger over stbrre1sesorde nen noen få kHz.

Mangelen ved infrarbde detektorer har vært et av de forhold som har fort til utviklingen av laseren. De fleste lasere og alle faststof f-CW-lasere arbeider ved infrarbde frekvenser og frekvenser nær det infrarbde område. Som et eksempel skal nevnes CC^-laseren, den for tiden mest effekti ve"gasslaser , som arbeider ved 10,6 ] i.

I sambandsteknikken har man vurdert anvendelsen av koherent stråling frembragt ved 1 aser-sv ingninger for å nå frem til en videre utvidelse av de tilgjengelige, anvendelige bære-frekvenser. Meget arbeide har vært rettet på å utvikle de forskjellige kretselementer, såsom modulatorer, oscillatorer osv.

som kreves i et sådant sambandssystem. Fordelen ved å anvende de hbyere frekvente bærere som nå står til disposisjon, er den derved utvidede båndbredde. Modulatorer og visse andre kretselementer er allerede blitt bragt til å arbeide ved frekvenser som nærmer seg en gHz, og der foreligger visse antydninger når det gjelder å utvikle laser-bærebblge-systemer med denne store båndbredde.

Et viktig element som mangler i forbindelse med et sådant sambandsystem, er detektoren. En vanlig detektor må være i stand til å arbeide ved den samme f rekvens-stbr re 1 sesorde nen som i andre kretselementer. De eneste kjente innretninger med en mulighet for å kunne utnyttes ved de infrarbde frekvenser, arbeider ved meget lav temperatur (flytende helium). Den mest kjente av disse anordninger er kobber-dopet germanium. Der foreligger således et behov for en infrarbd detektor som kan arbeide ved hby frekvens og anvendes ved normal arbeidstemperatur.

En annen type detektorer som er blitt vist en viss opp-merksomhet, arbeider i overensstemmelse med den spenning som frembringes som folge av den pyroelektriske virkning som er knyttet sammen med forandringen i polarisasjon som skyldes oppvarmning som folge av absorbsjon av stråling. En betydelig mengde materialer er pyroelektriske og mange av disse materialer er meget fblsomme. Inntil nylig var man imidlertid av den mening at f rekvensresponsen for pyroelektriske krystaller ikke var stbrre enn 10 eller 100 kHz.

I denne forbindelse henvises til Japanese Journal of Applied Phys i cs, Vol. 6, 120 (1967) som beskriver en sådan detektor som anvender tr ig1ycensu 1 fat.

Det ble den gang fastslått at en pyroelektrisk detektors respons avhenger av forandringen i polarisasjon med temperaturen,

dP

dvs. _—1 , og under visse omstendigheter også av den elektriske ledningsevne. Den formodning at anordningen ikke ville arbeidet tilfredstillende ved hby frekvens, ble understottet av de målte , . dPs

verdier 2..

dt

Som rapportert i Applied Ph y sies Letters, Vol. 13, 147

(1968) har man nylig oppdaget at en klasse av ferroe 1ektr iske materialer, f. eks. blandede krystaller av barium-str ontium-niobat, kunne innarbeides i pyroelektriske detektorer for oppnåelse av betydelig hdyere frekvensrespons. Det viste seg at disse materialer hadde vesentlig hdyere akustiske tap enn de tidligere undersokte pyroelektriske materialer. Basert på dette arbeide ble det postulert at en betydelig begrensning av frekvensresponsen kunne unngås ved dårlige akustiske egenskaper. I henhold til dette kunne man unngå brysomme akustiske resonanser som folge av den piezoelektriske kobling til de volumforandringer som oppstår på grunn av termisk utvidelse og sammentrekning. Undersoke 1ser av tidligere data an-gående andre materialer viste i virkeligheten en frekvensbegrensning som kunne tilskrives den såkalte piezoelektriske "ringing".

Betydelige undersokeiser er blitt foretatt med barium-str ontium-niobat , og dette og beslektede materialer har vist seg å være temmelig lovende når del gjelder infrarbd detektering.

Den klasse av materialer som har den nbdvendige hbye akustiske dempning og de nbdvendige pyroelektriske karakteristika, har imidlertid vist seg ikke å være særlig omfattende. Særlig har rekken av ba r ium-str ontium-niobat-sammensetninger vist ledsagende karakteristikker, såsom hby dieiektrisk konstant som representerer begrensninger ved konstruksjonen av krétsen.

I henhold til oppfinnelsen har det vist seg at en egnet montering, såsom anvendelse' av klebestoff og/eller klammere,

vil bevirke at der oppnås tilstrekkelige akustiske tap for å eliminere den frekvensbegrensende virkning av mekanisk resonans. Ved å anvende prinsippene i henhold til oppfinnelsen kan man i virkeligheten unngå denne begrensning av responsen ved et hvilket som helst pyroelektrisk materiale._Selv om enkelte fordeler ved visse anvendelser ikke nbdvendigvis representerer noen forbedring utover den som oppnås ved ba rium-str ontium-niobat-sammensetningene , er friheten med hensyn til valg av materialer som nå er mulig,

av verdi. Således har f. eks. 1 ithium-1anta 1 at, LiTaO^, et hbyt utviklet materiale, som folge av sine utmerkede egenskaper både som en piezoe lektr isk svinger og som et e 1 ektro-optisk element,

en forholdsvis lav dielektrisitetskonstant og tillater visse kon-struksjoner som ikke kan oppnås med ba r i um-s t r on t i um-ni oba t. Dette stoffs store motstand og lave dielektrisitetskonstant tillater anvendelse av plane elektroder og dermed fremstilling av detektorer med stor overflate som er særlig anvendelige ved detektering av signaler med lavt nivå.

Det særegne ved oppfinnelsen er angitt i de etterfblgende krav og vil bli nærmere beskrevet i det fblgende ved utfbrelses-eksempler på anordningen.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning

til tegningene, hvis fig. 1 viser i perspektiv en dempet detektor ifblge oppfinnelsen, fig. 2 viser skjematisk et eksperimentelt arrangement som ble anvendt for oppnåelse av data, såsom de som er vist på fig. 4A og 4B, fig. 3 viser i perspektiv en alternativ utfbrelse av detektoren ifblge fig. 1 ved bruk av forskjellige typer av dempning, og fig. 4A og 4B viser i koordi natdiagram styrken i Volt av detekterte signaler langs tiden i y,s.

Figurene skal beskrives i forbindelse med visse studier som er blitt foretatt med detektoren ifblge oppfinnelsen. Fig. 1, 2, 4A og 4B refererer til et spesielt eksempel. Forskjellige parametre, såsom detektormater i a let , lyskilden etc, er bare å betrakte som forklarende eksempler.

Da arrangementet ifblge fig. 2 anvender det festeutstyr som er vist på fig. 1 og forer til data som angitt på fig. 4B,

skal de to førstnevnte figurer beskrives sammen. De data som frem-gå-r av fig. 4A.er.de som oppnås ved: en fritt op-phengt detektor,

ved hvilken der anvendes en fastspenning i henhold til oppfinnelsen.

På fig. 1 er det detektor-krysta 1 Imateria le som detektoren 10 er fremstilt av, ferroe 1 ektr isk 1 ithiumtanta 1 at , LiTaO^. Den krystallinske skive er en c-akseplate (c-aksen er polaraksen).

1,5.x

Platens dimensjoner er/1,5 x 0,02 mm. Det krystallinske parti 1

er festet til en glassplate 2 ved hjelp av et ledende epoksylag 3. En elektrode 4 er festet til platens 1 ytterside og kan bestå av

et transparent eller absorberende materiale, alt etter den bdlge-lengde som skal detekteres og det krystallinske materiales absorberende evne. Over tråder 4 og 5 er epoksylaget 3 hhv. elektroden 4 forbundet med ikke viste spennings- eller stromfblende innretninger. Fig. 1 viser et eksempel på en innretning som kan anvendes som en pyroelektrisk detektor 10 vist på fig. 2.

Lyskilden 11 på fig. 2 er en Q-koblet C02~laser som arbeider ved 10,6 \ i. Den koherente stråle 12 som utsendes fra denne kilde, samles ved hjelp av en linse 13 som ved den infrarbde bblgelengde som anvendes, består av germanium. Linsens brennvidde er således valgt at den samler strå 1eenergien på detektoren 10. Huset 14 tjener nærmest som en mekanisk understbtte1se eller kan

(kavi terer)

være således anordnet at det huler ut/den elektromagnetiske stråling som skal detekteres, for derved å tilveiebringe en bkning av f b1s omh eten.

Ved et spesielt eksperiment hadde en typisk puls frembragt av den Q-koblede C02~laser enbredde på 200 ns og en spisseffekt på ca. 100 W.

Fig. 4B viser den pulsform som i v i rke1 igheLen blir detektert og som faktisk nbyaktig gjengir laser-puLscn. Lignende eksperimenter utfort med den på fig. 2 viste innretning viser nbyaktig detektering av laser-pulser helt ned Lii 20 ns. Oknings-tiden for den spesielle detektor som ble anvendt, ble målt til mindre enn 4 ns.

Kurven på fig. 4A viser data oppnådd ved et lignende eksperiment, ved hvilket detektoren var fritt opphengt. T fravær av dempning, såsom den som tilveiebringes ved hjelp av epoksylaget 3 på fig. 1, vil det sees at, mens pulsens form er detekterbar, ^£en_<,>er] ledsaget, av to svi ngni ngsmbnstre som representerer to resonansmoduler for krystallen. De to spor som viser tverrgående og langsgående moduler, angir tydelig to sv ingningssigna 1 er i tillegg til den fundamentale, puls. Ved den spesielle detektor som ble anvendt, hadde de på tvers og på langs forldpende signaler frekvenser på 3 MHz og 640 kHz som tilsvarer detektorens fundamentale svingninger. Begge spor stemte godt overens med detektor-dimensjonene og den målte lydhasti gnet i LiTaOg. Signa1-ti 1-stby-forholdet for den fritt opphengte detektor er omtrent 4 : 1, mens dette forhold ved d en dempede detektor er flere stdrrelsesordener hdyere, som det fremgår av fig. 4B.

Detektoren ifblge fig. 3 representerer et alternativt arrangement, ved hvilket en pyr oe 1 ektrisk krysta 11ski ve 30 med en elektrode 31 på den ene side og en elektrode 32 på den annen side er innstbp i et egnet transparent medium 33. For infrarbd bølge-lengde, såsom den som frembringes av C02-laseren, fins mange egnede i nn s t opn i ngsmed i er som alle har de nbdvendige egenskaper med hensyntil transparens og dempning. Eksempler på sådanne materialer er termo-plast po 1ymerer, såsom polyethylen. Elektrodene 3l og 32 er forbundet med hver sin ledning 35 hhv. 34. Det viste ortogonale e1 ektrode-arr an gement ble valgt med sikte på å nedsette kapasiteten og forenkle konstruksjonen.

Frek vensresponsen for hvilket som helst pyroelektrisk materiale kan generelt forbedres ved teknikken ifblge oppfinnelsen. Foretrukne karakteristikker vil imidlertid avhenge av praktiske hensyn. Lithium-tanta 1 at ble valgt av hensyn til sin hbye pyroelektriske egenskap ^ g~ (nummerisk lik 0 , 048 /U c ou l/cm^/°C ) ,

hvor A er den pyroelektriske koeffisient, dvs. den ladning som oppnås pr. enhet temperaturforandring, g er den dielektriske ledningsevne og tgé' den dielektriske tapstangent. Denne spesielle egenskap er forst og fremst nyttig ved fremstilling av en detektor med stort areal og plane elektroder. Ved en detektor av tykkelse 10 -3 cm betyr stort flateinnhold et skiveareal av størrelsesordenen minst 0,5 mm på en side. Verdien av ^.. t= er hensiktsmessig minst 10 — 7 , fortrinnsvis 10 — 8 coul/cm / o C. *I^llustrerende eksempler på materialer med denne egenskap er t r i gl y c e n s u 1 f a t, tr i glycense1enat og LiTaO^.

Karakteristikken for de ovenfor nevnte materialer plasse-rer disse i en foretrukket klasse når det gjelder fblsomhet. Når den innfallende signalstyrke ligger under 10 W velges materialet i overensstemmelse med dette. Ved mange .anvendelser, hvor fblsomhet ikke er av primær interesse, kan der med fordel anvendes materialer sam ikke h a r de fibye egenskaper. Under disse forhold kan materialene velges på basis av tilgjengelighet, vekst og generelle fysiske og elektriske egenskaper.

Det er et vesentlig trekk ved oppfinnelsen at frekvensresponsen for et hvilket som helst gitt pyr oe 1 ektr isk materiale og for en hvilken som helst gitt utformning av detektoren bkes til en verdi over den laveste fundamentale resonans for detektor-elementet ved dempning. Det er i denne forbindelse hensiktsmessig å innfore konstruktive begrensninger når det gjelder stdrrelsen av dempning. Dette kan på gunstigste måte uttrykkes som akustisk tap for hele innretningen inklusive det pyroelektriske eLemenL såvel som den struktur som tjener som bærer for dette element.

Den nbdvendige grad av dempning er avhengig av stbrrelsen av para-metrene, dvs. krysta 1ldimensjonene , akustisk hastighet etc. I den bredeste mening oppnås en forbedret frekvensrespons når detektor-elementets laveste resonansfrekvens elimineres. Onskes hbyere respons, elimineres hbyere resonansf rekvenser og også harmoniske frekvenser. Suksessivthbyere forbedring når det gjelder frekvensresponsen for en gitt detektor, krever en suksessivt tiltagende dempning. Dette er en folge av at hver suksessiv resonans må dempes i lbpet av den stadig forkortede periode som tilsvarer bblgelengden for den hbyere resonans.

Generelt kan de ovennevnte bnsker uttrykkes i form av krav om minimal dempning på 6f db/s, hvor f er den hbyeste resonansfrekvens som skal dempes. Det folger av dette at de materialer med hvilke oppfinnelsen med fordel kan bringes til utfbrelse, gir et lavere tap når de er fritt opphengt. Et foretrukket maksimalt tap uttrykt på samme måte som ovenfor ved et fritt opphengt element er 5f db/s.

Ved en praktisk utfort, liten detektor av stbrrelsesor-denen 1 mm 2 og tykkelse 10 \ i og som har en akustisk hastighet på ca. 5 ' 10 cm/s, er det forlangte tap 20 db/y,s ved arbeide over frekvensen for den laveste fundamentale frekvensmodu1 på ca.3,5 MHz.

Da tidligere anvendte, fritt opphengte pyroelektriske detektorer undertiden hadde en frekvensrespons av størrelsesordenen 10 eller 100 kHz, kan en foretrukket utfbrelse ifblge oppfinnelsen ventes å ha en hbyere frekvensrespons, f. eks. 1 MHz, og ved en ennå mere foretrukket utfbrelse en frekvensrespons for et typisk signalnivå av stbr re1sesprdenen 1 gHz. Ved typiske materialer er de minimalt nbdvendige tap som folge av dempnings i nnretni ngen ifblge oppfinnelsen 6 db/p,s og 6 db/ns ved frekvensgrensene 1 MHz henholdsvis lgHz.

Kravene til bindemidler og underlagsmateriale er generelt sett ikke kritiske. Således velges materialene ut fra klebeevne og overforingsevne med hensyn til den bblgelengde som skal detekteres. Som bindemiddel anvendes generelt sådanne som gir en intim forbindelse, og eksempler på sådanne materialer er de termoherd-nende plaster, såsom forskjellige epoksyer, polyurethan, gummi etc. samt termoplaster, såsom polymethylmethacrylat, polyethylen etc.

De pyroelektriske detektorer har forst og fremst interesse i forbindelse med infrarbde frekvenser, ved hvilke andre detektor-anordninger, særlig sådanne som arbeider ved romtemperatur, mangler fblsomhet. Pyroelektriske detektorer har imidlertid vist seg å være anvendelige både over og under dette område og kan anvendes både ved detektering av mi 11imeterbblger og av lys i det synlige spektrum. Dempningsstrukturene ifblge oppfinnelsen anvendes med fordel ved hvilken som helst bblgelengde/ overfor hvilken detektoren har en iboende fblsomhet eller kan gjbres fblsom, f. eks. ved overtrekk, for å oke modulasjons-frekvensresponsen. Ovenfor er forutsatt at signalet er sinusoidalt modulert. Dette har

sin betydning for konstruktbren som bnsker å innarbeide anordningen ifblge oppfinnelsen i et hvilket som helst system,

hva enten PCM eller lignende og hva enten sinusoidalt eller ikke-sinusoidalt.

Claims (3)

1. Pyroelektrisk anordning omfattende et krystallinsk legeme au et pyroelektrisk materiale Forsynt med innretninger for føling au en pyroelektrisk reaksjon på innfallende stråling, hvilket legeme har et maksimalt akustisk tap på 5f db/s ved en frekvens som tilsv/årer en resonansfrekvens for et sådant legeme fritt opphengt, karakterisert ved at legemet er således fast-spent mekanisk og/eller med et klebemiddel for å øke dets akustiske tap til en verdi på minst 6f db/s ued den høyeste resonans-frekuens som skal dempes, at den pyroelektriske anordning er for- ' synt med innretninger for bestråling med elektromagnetiske stråler i det infrarøde spektrum, huilken bestråling moduleres for å inne-holde inf ormasjonssignifikante frekvenskomponenter i overensstemmelse med en pulstoghastighet ouer 1 megabit/s.

2. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ued at den pyroelektriske uerdi ^ — , huor A er den pyro- Y£ t g cT elektriske koeffisient, £ er den dielektriske konstant og tgcT er tangenten til den dielektriske tapsvinkel, er minst 10 — 7 cou 1/cmV2 °C, hvor legemet har form av en plate med to hovedflater og føle-innretningen omfatter elektroder som er i kontakt med hovedflåtene.

3. Anordning i henhold til krav 2, karakterisert ved at den ene av elektrodene er et ledende klebemiddel som også virker til å fastholde legemet.