RU170388U1

RU170388U1 - OPTICAL-ACOUSTIC RECEIVER

Info

Publication number: RU170388U1
Application number: RU2016136886U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2017-04-24

Abstract

Полезная модель относится к приемникам электромагнитного излучения, в частности к неселективным оптико-акустическим приемникам. Оптико-акустический приемник содержит приемную камеру, снабженную входным окном с оптическим конусом, и оптический микрофон. Непосредственно между окном приемной камеры и оптическим конусом располагается диэлектрическая мезомасштабная частица, формирующая фотонную струю. Технический результат - повышение чувствительности оптико-акустического приемника. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.The invention relates to electromagnetic radiation receivers, in particular to non-selective optical-acoustic receivers. The optical-acoustic receiver comprises a receiving chamber equipped with an input window with an optical cone, and an optical microphone. Directly between the window of the receiving chamber and the optical cone is a dielectric mesoscale particle forming a photon stream. The technical result is an increase in the sensitivity of the optical-acoustic receiver. 1 s.p. f-ly, 3 ill.

Description

Настоящая полезная модель относится к приемникам электромагнитного излучения, в частности к неселективным оптико-акустическим приемникам.This utility model relates to electromagnetic radiation receivers, in particular to non-selective optical-acoustic receivers.

Оптико-акустические приемники (ОАП) являются наиболее чувствительными из известных неохлаждаемых приемников инфракрасного и дальнего инфракрасного излучения. ОАП имеет в своей основе конструкцию, впервые предложенную Голеем (M.J.E. Golay) в 1947 г. и часто называемую ячейкой Голея. Идея подобных приемников состоит в том, что в результате поглощения электромагнитного излучения происходят колебания давления среды в ячейке, и далее указанные колебания каким-либо образом регистрируются.Optical-acoustic receivers (OAP) are the most sensitive of the known uncooled receivers of infrared and far infrared radiation. OAP is based on the design, first proposed by Golei (M.J.E. Golay) in 1947 and often called the Golei cell. The idea of such receivers is that, as a result of absorption of electromagnetic radiation, fluctuations in the pressure of the medium occur in the cell, and then these oscillations are recorded in some way.

Из публикации в журнале Rev. Sci. Instr., 1969, 40, p. 733 известно устройство для обнаружения ИК-излучения, полученное путем комбинирования приемной камеры (представляющей собой ячейку Голея) и оптического микрофона. Детектируемое излучение попадает в приемную камеру, где поглощается, при этом в камере изменяются температура и соответственно давление наполняющего газа. Колебания регистрируются посредством оптического микрофона, в состав которого входят источник вспомогательного излучения, приемник излучения, растр, конденсор и объектив. Однако чувствительность такого устройства невысокая.From a publication in Rev. Magazine Sci. Instr., 1969, 40, p. 733, there is known a device for detecting infrared radiation obtained by combining a receiving camera (which is a Golay cell) and an optical microphone. The detected radiation enters the receiving chamber, where it is absorbed, while the temperature and, accordingly, the pressure of the filling gas change in the chamber. The oscillations are recorded by means of an optical microphone, which includes an auxiliary radiation source, a radiation receiver, a raster, a condenser, and a lens. However, the sensitivity of such a device is low.

Последующее развитие ОАП было направлено на увеличение чувствительности приемника, расширение регистрируемого диапазона длин волн, общее снижение уровня шума приемника. Одним из решений является ОАП, описанный в публикации «Современные оптико-акустические приемники излучения», Оптический журнал, № 5, 1994, с. 5, 6. В указанном ОАП, который также содержит камеру, в которой поглощается электромагнитное излучение и возникают колебания давления, поглощение происходит неселективно в широкой области от 1 до 3000 мкм.The subsequent development of OAP was aimed at increasing the sensitivity of the receiver, expanding the recorded wavelength range, and generally reducing the noise level of the receiver. One of the solutions is the OAP described in the publication “Modern Optical-Acoustic Radiation Receivers”, Optical Journal, No. 5, 1994, p. 5, 6. In the specified OAP, which also contains a chamber in which electromagnetic radiation is absorbed and pressure fluctuations occur, absorption occurs non-selectively in a wide range from 1 to 3000 μm.

Пульсации давления вызывают колебания зеркальной мембраны, представляющей собой одну из стенок приемной камеры. Колебания мембраны регистрируются с помощью оптического микрофона, состоящего из источника вспомогательного излучения, конденсора, прозрачного растра, зеркала и фотоприемника. Через растр на мембрану конденсором проецируется изображение вспомогательного источника излучения, которое затем через вторую половину растра и конденсора направляется зеркалом через диафрагму на фотоприемник. Такая конструкция позволяет заметно улучшить чувствительность приемника. В то же время при исследовании источников и приемников ИК-излучений, мониторинге и контроле полей ИК-излучений, измерении слабых потоков ИК-излучения в спектрометрии и низкотемпературной пирометрии, а также в иных научных задачах, требующих регистрации низкоэнергетических сигналов в диапазоне длин волн от 15 мкм до 6-8 мм, существует необходимость в еще более эффективных и чувствительных устройствах.Pressure pulsations cause oscillations of the mirror membrane, which is one of the walls of the receiving chamber. Oscillations of the membrane are recorded using an optical microphone consisting of an auxiliary radiation source, a condenser, a transparent raster, a mirror, and a photodetector. An image of an auxiliary radiation source is projected through a raster onto the membrane by a condenser, which is then transmitted through the diaphragm to the photodetector through the second half of the raster and the condenser. This design can significantly improve the sensitivity of the receiver. At the same time, when studying sources and receivers of infrared radiation, monitoring and controlling the fields of infrared radiation, measuring weak fluxes of infrared radiation in spectrometry and low-temperature pyrometry, as well as in other scientific problems requiring the registration of low-energy signals in the wavelength range from 15 microns up to 6-8 mm, there is a need for even more efficient and sensitive devices.

Из уровня техники известна попытка усовершенствования указанного выше базового решения, описанная в патентном документе RU 2169911. Решение, раскрытое в данном документе, направлено на повышение уровня информационного сигнала и чувствительности оптического микрофона в составе ОАП путем введения светоделителя и дополнительных конденсора и фотоприемника. Однако данное решение не приводит к заметному повышению эффективности, так как из-за дополнительных элементов сильно увеличиваются потери сигнала и возрастает уровень шума. Возрастает также общая сложность конструкции, требования к точности выполнения сборки компонентов.The prior art attempts to improve the above basic solution described in patent document RU 2169911. The solution disclosed in this document is aimed at increasing the level of the information signal and the sensitivity of the optical microphone in the OAP by introducing a beam splitter and an additional condenser and photodetector. However, this solution does not lead to a noticeable increase in efficiency, since due to additional elements the signal loss increases significantly and the noise level increases. The overall design complexity and requirements for the accuracy of the assembly of components are also increasing.

В качестве прототипа выбрано устройство ОАП по евразийскому патенту EA 011914 B1 20090630, МПК G02F 1/11, содержащего приемную камеру, снабженную входным окном, поглощающую излучение пленкой и зеркальной мембраной, входное окно приемной камеры снабжено оптическим конусом, и оптический микрофон, включающий источник вспомогательного излучения, оптический растр, детектор излучения и оптическую систему, выполненную с возможностью обеспечения прохождения вспомогательного излучения от указанного источника через оптический растр к зеркальной мембране, обратного прохождения отраженного вспомогательного излучения через оптический растр и поступления отраженного вспомогательного излучения на детектор излучения.As a prototype, the OAA device according to the Eurasian patent EA 011914 B1 20090630, IPC G02F 1/11, comprising a receiving chamber equipped with an input window, radiation-absorbing film and a mirror membrane, an input window of the receiving chamber is equipped with an optical cone, and an optical microphone including an auxiliary source radiation, an optical raster, a radiation detector and an optical system configured to allow the passage of auxiliary radiation from the specified source through the optical raster to the mirror membrane, the return passage of the reflected auxiliary radiation through the optical raster and the arrival of the reflected auxiliary radiation to the radiation detector.

При установке оптического конусного концентратора (оптический конус) на входное окно приемной камеры увеличивается концентрация энергии исследуемого излучения на площадку входного окна, а значит и на поглощающую пленку. В результате увеличивается амплитуда колебаний зеркальной мембраны, а значит и амплитуда переменной составляющей информационного сигнала.When installing an optical cone concentrator (optical cone) on the input window of the receiving chamber, the energy concentration of the studied radiation increases on the input window pad, and hence on the absorbing film. As a result, the amplitude of oscillations of the mirror membrane increases, and hence the amplitude of the variable component of the information signal.

Выходной диаметр (размер) оптического конуса превышает характерную длину волны используемого излучения и не обеспечивает необходимую концентрацию энергии в поглощающей пленки приемной камеры.The output diameter (size) of the optical cone exceeds the characteristic wavelength of the radiation used and does not provide the necessary energy concentration in the absorbing film of the receiving chamber.

Недостатком данного оптико-акустического приемника является не эффективность ввода излучения в приемную камеру.The disadvantage of this optical-acoustic receiver is not the efficiency of inputting radiation into the receiving chamber.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение чувствительности оптико-акустического приемника.The objective of the proposed technical solution is to increase the sensitivity of the optical-acoustic receiver.

Указанная задача достигается тем, что оптико-акустический приемник содержит приемную камеру, снабженную входным окном с оптическим конусом, и оптический микрофон, согласно полезной модели непосредственно между окном приемной камеры и оптическим конусом располагается диэлектрическая мезомасштабная частица, формирующая фотонную струю.This task is achieved in that the optical-acoustic receiver comprises a receiving chamber equipped with an input window with an optical cone, and an optical microphone, according to a utility model, a dielectric mesoscale particle forming a photon stream is located directly between the receiving chamber window and the optical cone.

Кроме того, диэлектрическая мезомасштабная частица выполнена в виде монослоя диэлектрических мезомасштабных частиц.In addition, the dielectric mesoscale particle is made in the form of a monolayer of dielectric mesoscale particles.

Настоящая полезная модель направлена на совершенствование оптико-акустических приемников (ОАП) электромагнитного излучения, повышение их чувствительности и увеличение полезного сигнала (увеличение отношения сигнал/шум). С этой целью предлагается ОАП, содержащий приемную камеру, снабженную входным окном с оптическим конусом, и оптический микрофон.This useful model is aimed at improving the optical-acoustic receivers (OAP) of electromagnetic radiation, increasing their sensitivity and increasing the useful signal (increasing the signal-to-noise ratio). To this end, an OAP is proposed comprising a receiving camera equipped with an input window with an optical cone and an optical microphone.

Данный оптико-акустический приемник отличается тем, что для обеспечения максимального улавливания регистрируемого излучения и повышения эффективности ввода излучения в приемную камеру непосредственно между окном приемной камеры и оптическим конусом располагается диэлектрическая мезомасштабная частица, формирующая фотонную струю.This optical-acoustic receiver is characterized in that to ensure maximum capture of the recorded radiation and increase the efficiency of radiation input into the receiving chamber, a dielectric mesoscale particle is formed directly between the window of the receiving chamber and the optical cone, which forms a photon stream.

Кроме того, оптико-акустический приемник отличается тем, что для обеспечения максимального улавливания регистрируемого излучения непосредственно между окном приемной камеры и оптическим конусом располагается монослой диэлектрических мезомасштабных частиц, формирующих фотонные струи.In addition, the optical-acoustic receiver is characterized in that in order to ensure maximum capture of the recorded radiation, a monolayer of dielectric mesoscale particles forming photonic jets is located directly between the window of the receiving chamber and the optical cone.

Диэлектрические мезомасштабные частицы различной формы (сфера, кубик, пирамида, конус, правильный шестиугольник и т.д.), формирующие фотонную струю, ранее использовались, например, для фокусировки излучения в субволновую область (Minin I.V., Minin O.V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit\\Springer, 2016 75p. ISBN: 978 3 319 24251 4), в устройствах наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии (патент РФ 2557677), в малогабаритном спектрометрическом датчике излучения (патент РФ 153680), малогабаритном интегрированном датчике террагерцового излучения (патент РФ 153471), субволновом датчике волнового фронта (патент РФ 160810), оптическом микродатчике на основе фотонных струй терагерцовых ИК или оптических волн (патент РФ 161592), в устройстве для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка (патент РФ 161207), в устройстве субволновой оптической ловушки в поле стоячей волны (патент РФ 160834), в многоэлементном малогабаритном эмиттере генератора террагерцового излучения (патент РФ 160986).Mesoscale dielectric particles of various shapes (sphere, cube, pyramid, cone, regular hexagon, etc.) forming a photon stream were previously used, for example, to focus radiation into the subwave region (Minin IV, Minin OV Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit \\ Springer, 2016 75p. ISBN: 978 3 319 24251 4), in devices for nanostructuring the surface of a dielectric substrate using near-field lithography (RF patent 2557677), in a small-sized spectrometric radiation sensor (RF patent 153680), small-sized integrated date terahertz radiation (RF patent 153471), subwave wavefront sensor (RF patent 160810), an optical microsensor based on photon jets of terahertz IR or optical waves (RF patent 161592), in a device for forming an optical trap in the form of a photon hook (RF patent 161207 ), in the device of a subwavelength optical trap in the field of a standing wave (RF patent 160834), in a multi-element small-sized emitter of a terahertz radiation generator (RF patent 160986).

Однако в ОАП указанные элементы ранее не применялись.However, in the OAP these elements were not previously used.

Фотонная струя - это область повышенной концентрации электромагнитной энергии, возникающая непосредственно у границы диэлектрической мезомасштабной частицы с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4 и протяженностью от 2 до 10λ (Minin I.V., Minin O.V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit\\Springer, 2016, 75p. ISBN: 978 3 319 24251 4], где λ длина волны излучения в свободном пространстве. При этом размер частиц составляет не менее λ/2.The photon jet is a region of increased concentration of electromagnetic energy that occurs directly at the boundary of a dielectric mesoscale particle with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4 and a length of 2 to 10λ (Minin IV, Minin OV Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit \\ Springer, 2016, 75p. ISBN: 978 3 319 24251 4], where λ is the radiation wavelength in free space, and the particle size is at least λ / 2.

Чем больше размер мезомасштабной частицы, тем эффективнее осуществляется фокусировка излучения, но при этом возрастают потери излучения на отражение, уменьшая эффективность предлагаемого устройства. Формируя фотонные струи с помощью диэлектрических мезомасштабных частиц, достигается высокая локализация высокоинтенсивного ближнего поля в объеме поглощающей пленки приемной камеры ОАП. Данное увеличение поглощения происходит, с микроскопической точки зрения за счет того, что диэлектрическая мезомасштабная частица локально усиливает электрическое поле, что приводит к появлению так называемых горячих пятен - субволновых областей концентрации излучения. Так как горячие пятна возникают в области, занятой поглощающей излучение пленкой, то падающее излучение эффективно поглощается в ней. Таким образом, повышается эффективность ввода излучения в приемную камеру ОАП. Поглощенная пленкой энергия излучения передается газу, наполняющему камеру, в результате чего в камере возникают пульсации давления газа с частотой, равной частоте прерывания потока падающего излучения. Эти пульсации воспринимаются оптическим микрофоном.The larger the size of the mesoscale particle, the more efficient the focusing of radiation is, but the radiation loss to reflection increases, reducing the effectiveness of the proposed device. By forming photonic jets with the help of dielectric mesoscale particles, a high localization of the high-intensity near field is achieved in the volume of the absorbing film of the OAA receiving chamber. This increase in absorption occurs, from a microscopic point of view, due to the fact that a dielectric mesoscale particle locally enhances the electric field, which leads to the appearance of so-called hot spots - sub-wavelength regions of radiation concentration. Since hot spots occur in the region occupied by the radiation-absorbing film, the incident radiation is effectively absorbed in it. Thus, the efficiency of introducing radiation into the receiving chamber of the OAP is increased. The radiation energy absorbed by the film is transferred to the gas filling the chamber, as a result of which gas pressure pulsations arise in the chamber with a frequency equal to the interruption frequency of the incident radiation flux. These ripples are perceived by an optical microphone.

Дальнейшее повышение чувствительности ОАП может осуществляться за счет расположения непосредственно между окном приемной камеры и оптическим конусом монослоя диэлектрических мезомасштабных частиц, формирующих фотонные струи.A further increase in the sensitivity of the OAI can be achieved due to the location directly between the window of the receiving chamber and the optical cone of a monolayer of dielectric mesoscale particles forming photonic jets.

Чувствительность при этом увеличивается в 4-6 раз в сравнении с ближайшим аналогом.Sensitivity increases by 4-6 times in comparison with the closest analogue.

В качестве материала диэлектрических мезомасштабных частиц может применяться материал с относительным коэффициентом преломления, лежащим в диапазоне о 1.2 до 1.7, например, таких как фторопласт, полистирол, полиметилметакрилат (ПММА), полимера поли-4-метилпентен-1, полиэтилен, обладающие малыми потерями энергии излучения в материале и т.д. Могут использоваться и другие полимеры и материалы, обеспечивающие пропускание излучения в нужном диапазоне.As a material of dielectric mesoscale particles, a material with a relative refractive index ranging from about 1.2 to 1.7, for example, such as fluoroplastic, polystyrene, polymethyl methacrylate (PMMA), poly-4-methylpentene-1 polymer, and polyethylene having low energy losses, can be used radiation in the material, etc. Other polymers and materials capable of transmitting radiation in the desired range can also be used.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема ОАП в соответствии с вариантом осуществления полезной модели с одной диэлектрической мезомасштабной частицей, формирующей фотонную струю; на фиг .2 представлена принципиальная схема ОАП в соответствии с вариантом осуществления полезной модели с монослоем диэлектрических мезомасштабных частиц, формирующих фотонные струю; на фиг. 3 приведены результаты моделирования формирования фотонной струи диэлектрическими частицами сферической и кубической формы различных размеров.In FIG. 1 is a schematic diagram of an OAA in accordance with an embodiment of a utility model with a single dielectric mesoscale particle forming a photon stream; Fig. 2 is a schematic diagram of an OAA in accordance with an embodiment of a utility model with a monolayer of dielectric mesoscale particles forming a photonic stream; in FIG. Figure 3 shows the results of modeling the formation of a photon stream by spherical and cubic dielectric particles of various sizes.

Обозначения на рисунках: 1 - падающее излучение, 2 - оптический конус, 3 - диэлектрическая мезомасштабная частица, формирующая фотонную струю, 4 - фотонная струя, 5 - приемная камера, 6 - оптический микрофон, 7 - монослой диэлектрических мезомасштабных частиц, формирующих фотонные струи 8.Designations in the figures: 1 - incident radiation, 2 - optical cone, 3 - dielectric mesoscale particle forming a photon stream, 4 - photon stream, 5 - receiving chamber, 6 - optical microphone, 7 - monolayer of dielectric mesoscale particles forming photonic jets 8 .

Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной моделиInformation confirming the feasibility of implementing a utility model

В соответствии с примерным вариантом осуществления полезной модели оптико-акустический приемник функционирует следующим образом.In accordance with an exemplary embodiment of a utility model, an optical-acoustic receiver operates as follows.

Для того чтобы получить на выходе переменный электрический сигнал, который более предпочтительно регистрировать по сравнению с постоянным сигналом, подлежащее регистрации излучение подвергается модуляции известным из уровня техники способом. Модуляция может заключаться, например, в периодическом прерывании потока излучения с заданной частотой. Модулированный поток излучения 1 проходит через входной конус 2, благодаря чему усиливается, и освещает диэлектрическую мезомасштабную частицу 3, формирующую фотонную струю 4, или монослой диэлектрических мезомасштабных частиц 7, формирующих фотонные струи 8. При этом поток излучения еще сильнее концентрируется в локальной области с размерами менее дифракционного предела. Сформированная фотонная струя 3 или струи 8 через окно приемной камеры 5 попадает на поглощающую излучение пленку. Поглощенная пленкой энергия передается газу, наполняющему камеру, в результате чего в камере возникают пульсации давления газа с частотой, равной частоте прерывания потока падающего излучения, которое регистрируется оптическим микрофоном 6. Оптический микрофон 6 и приемная камера 5 представляют собой известные в данной области техники устройства. Использование фотонной струи 3 или фотонных струй 8 позволяет уменьшить объем приемной камеры и тем самым повысить быстродействие ОАП.In order to obtain an alternating electrical signal, which is more preferable to detect than a constant signal, the radiation to be detected is modulated in a manner known in the art. Modulation can consist, for example, in periodically interrupting the radiation flux with a given frequency. The modulated radiation flux 1 passes through the input cone 2, due to which it is amplified and illuminates the dielectric mesoscale particle 3, which forms the photon jet 4, or a monolayer of dielectric mesoscale particles 7, which form the photon stream 8. In this case, the radiation flux is even more concentrated in the local region with less diffraction limit. Formed photon stream 3 or stream 8 through the window of the receiving chamber 5 falls on the absorbing radiation film. The energy absorbed by the film is transferred to the gas filling the chamber, as a result of which gas pressure pulsations arise in the chamber with a frequency equal to the frequency of interruption of the incident radiation flux, which is detected by the optical microphone 6. The optical microphone 6 and the receiving chamber 5 are devices known in the art. The use of photon stream 3 or photon stream 8 can reduce the volume of the receiving chamber and thereby increase the speed of the OAP.

В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» у кубика начинается с размера грани 0.5 длины волны используемого излучения. В то время как у сферы при таком диаметре на одной поляризации локализация поля еще не выделена. При этом максимальная интенсивность поля на оси у кубика выше, чем у сферы в 1.4 раза (фиг. 3).As a result of the studies, it was found that the localization of the “photon stream” type field at the cube begins with a face size of 0.5 of the wavelength of the radiation used. At the same time, for a sphere with this diameter on one polarization, the localization of the field has not yet been distinguished. In this case, the maximum field intensity on the axis of the cube is higher than that of the sphere by 1.4 times (Fig. 3).

Для характерных размеров кубика и сферы менее λ/2 «фотонная струя» не формируется.For the characteristic dimensions of the cube and sphere less than λ / 2, a “photon stream” is not formed.

Диэлектрические мезомасштабные частицы могут быть изготовлены используя 3D принтер или при помощи электронно-лучевой литографии.Mesoscale dielectric particles can be made using a 3D printer or electron beam lithography.

Монослой диэлектрических мезомасштабных частиц, формирующих фотонные струю, например, может быть получен при помощи самоорганизации коллоидных частиц на поверхности, например на пленке из лавсана. Упорядоченные структуры были спроектированы и произведены в слое полиметилметакрилата (ПММА) при помощи электронно-лучевой литографии.A monolayer of dielectric mesoscale particles forming a photonic stream, for example, can be obtained by self-organization of colloidal particles on the surface, for example, on a film from dacron. The ordered structures were designed and produced in a layer of polymethylmethacrylate (PMMA) using electron beam lithography.

Разумеется, приведенные варианты осуществления полезной модели является лишь примером, и на практике возможны различные видоизменения и модификации, остающиеся в рамках полезной модели, определяемые формулой полезной модели.Of course, the given embodiments of the utility model are just an example, and in practice various modifications and modifications are possible that remain within the framework of the utility model, determined by the formula of the utility model.

Claims

1. An optical-acoustic receiver comprising a receiving chamber provided with an input window with an optical cone and an optical microphone, characterized in that a dielectric mesoscale particle forming a photonic stream is located directly between the receiving chamber window and the optical cone.

2. The receiver according to claim 1, characterized in that the dielectric mesoscale particle is made in the form of a monolayer of dielectric mesoscale particles.