RU207821U1 - PYROELECTRIC MILLIMETER RADIATION DETECTOR - Google Patents
PYROELECTRIC MILLIMETER RADIATION DETECTOR Download PDFInfo
- Publication number
- RU207821U1 RU207821U1 RU2021121364U RU2021121364U RU207821U1 RU 207821 U1 RU207821 U1 RU 207821U1 RU 2021121364 U RU2021121364 U RU 2021121364U RU 2021121364 U RU2021121364 U RU 2021121364U RU 207821 U1 RU207821 U1 RU 207821U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- pyroelectric
- millimeter
- film
- wavelength
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims description 56
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 25
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 12
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 abstract description 8
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 18
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 3
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 2
- WSSSPWUEQFSQQG-UHFFFAOYSA-N 4-methyl-1-pentene Chemical compound CC(C)CC=C WSSSPWUEQFSQQG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910013292 LiNiO Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 229910001508 alkali metal halide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000008045 alkali metal halides Chemical class 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 239000012188 paraffin wax Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000006100 radiation absorber Substances 0.000 description 1
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/02—Constructional details
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
- H01L31/0392—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к технике измерений, в частности к измерению интенсивности электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн.Задачей полезной модели является создание малогабаритного пироэлектрического детектора, обладающего высокой чувствительностью в миллиметровой области электромагнитного излучения.Технический результат: реализация возможности детектирования электромагнитного излучения в миллиметровой области с высокой чувствительностью. 1 ил.The utility model relates to measurement techniques, in particular to measuring the intensity of electromagnetic radiation in the millimeter wavelength range. The objective of the utility model is to create a small-sized pyroelectric detector with high sensitivity in the millimeter range of electromagnetic radiation. Technical result: the implementation of the possibility of detecting electromagnetic radiation in the millimeter range with a high sensitivity. 1 ill.
Description
Полезная модель относится к технике измерений, в частности к измерению интенсивности электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн.The utility model relates to measurement techniques, in particular to measuring the intensity of electromagnetic radiation in the millimeter wavelength range.
Интерес к миллиметровой области длин волн электромагнитного излучения обусловлен бурным развитием источников данного излучения. Миллиметровое излучение привлекательно тем, что обеспечивает возможность достижения более высокого, по сравнению с сантиметровым диапазоном, пространственного разрешения изображения и большей глубиной проникновения излучения в исследуемые объекты, по сравнению с ИК излучением (Минин И.В., Минин О.В. Методы радиовидения в системах борьбы с терроризмом. – Новосибирск: НГТУ, 2003. – 192 с.; Minin O.V., Minin I.V. Diffractional optics of millimetre waves. – Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. – 396 p.; Mittleman, D. M. (2018). Twenty years of terahertz imaging [Invited] // Optics Express, 26(8), 9417. doi:10.1364/oe.26.009417; F. Sizov. THz radiation sensors. Opto-Electron. Rev. 2010. Vol. 18. No. 1. P. 10-36; R. Müller, В. Gutschwager, J. Hollandt, M. Kehrt, C. Monte, R. Müller, A. Steiger. Characterization of a large-area pyroelectric detector from 300 GHz to 30 THz // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. – 2015. – Vol. 36, iss. 7. – P. 654–661. – DOI: 10. 1007/s10762-015-0163-7.).Interest in the millimeter wavelength range of electromagnetic radiation is due to the rapid development of sources of this radiation. Millimeter radiation is attractive because it makes it possible to achieve a higher, compared to the centimeter range, spatial resolution of the image and a greater depth of radiation penetration into the objects under study, compared to IR radiation (Minin I.V., Minin O.V. systems of combating terrorism. - Novosibirsk: NSTU, 2003. - 192 p .; Minin OV, Minin IV Diffractional optics of millimeter waves. - Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. - 396 p .; Mittleman, DM (2018 ). Twenty years of terahertz imaging [Invited] // Optics Express, 26 (8), 9417. doi: 10.1364 / oe.26.009417; F. Sizov. THz radiation sensors. Opto-Electron. Rev. 2010. Vol. 18. No. 1. P. 10-36; R. Müller, B. Gutschwager, J. Hollandt, M. Kehrt, C. Monte, R. Müller, A. Steiger. Characterization of a large-area pyroelectric detector from 300 GHz to 30 THz // Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. - 2015. - Vol. 36, iss. 7. - P. 654–6 61. - DOI: 10.1007 / s10762-015-0163-7.).
Миллиметровое излучение свободно проходит через непроводящие среды, такие как различного рода пластики, текстильные ткани, мелкодисперсные среды - туман, пыль, облака. С другой стороны, это излучение активно взаимодействует с проводящими материалами, биологическими и химическими объектами. Такие свойства позволяют создать системы детектирования скрытых объектов и веществ, в том числе опасных, системы дистанционного, не контактного, химического и биологического анализа различных веществ.Millimeter radiation freely passes through non-conductive media, such as various types of plastics, textile fabrics, fine media - fog, dust, clouds. On the other hand, this radiation actively interacts with conductive materials, biological and chemical objects. Such properties make it possible to create systems for detecting hidden objects and substances, including hazardous ones, systems for remote, non-contact, chemical and biological analysis of various substances.
Одной из центральных проблем является создание малогабаритных, недорогих и надежных как одиночных, так и матричных детекторов миллиметрового излучения, обладающих высокой чувствительностью и достаточно высоким быстродействием.One of the central problems is the creation of small-sized, inexpensive and reliable, both single and matrix detectors of millimeter radiation, which have high sensitivity and a sufficiently high response rate.
Одним из перспективных направлений является использование пироэлектрических детекторов. Пироэлектрические детекторы (Техника субмиллиметровых волн. Колл. авторов под ред. Р.А. Валитова - М.: Советское радио, 1969, 480 с., с. 123-158) основаны на пироэффекте – зависимости спонтанной поляризации некоторых кристаллов (ТГС, LiTaO3, LiNiO3, BaTiO3 и др.) от температуры. Нагрев кристалла внешним излучением вызывает перетекание зарядов с его внешних металлических электродов через нагрузочное сопротивление. One of the promising areas is the use of pyroelectric detectors. Pyroelectric detectors (Technique of submillimeter waves. Collected authors edited by R.A. Valitov - M .: Soviet radio, 1969, 480 p., Pp. 123-158) are based on the pyroelectric effect - the dependence of the spontaneous polarization of some crystals (TGS, LiTaO 3 , LiNiO 3 , BaTiO 3 , etc.) on temperature. Heating the crystal by external radiation causes charges to flow from its external metal electrodes through the load resistance.
Известен пироэлектрический детектор, который представляет собой тонкую пироэлектрическую пленку с двумя контактными электродами (верхним и нижним), расположенными перпендикулярно направлению спонтанной поляризации пироэлектрической пленки (А. Рогальский. Инфракрасные детекторы. Пер. с англ. под ред. А.В. Войцеховского. Новосибирск, Наука 2003, 636 с.). Состав пироэлектрической пленки подбирается таким образом, что она же является и поглотителем ИК излучения. Поэтому верхний электрод, обращенный к измеряемому излучению, изготавливается полупрозрачным к ИК излучению. Толщина пироэлектрической пленки составляет примерно 1-2 микрометра, что обеспечивает низкую теплоемкость пиродетектора и, следовательно, его высокую чувствительность и быстродействие. В отличие от других типов тепловых детекторов (например, болометрических) пиродетектор имеет большую скорость отклика, то есть, способен работать на высоких частотах. В работе (С.В. Poundy, R.L. Byer, D.W. Phillion and D.J. Kuizenga. A 170 psec pyroelectric detector. Optical Communication, p. 374-377, 1974.) был продемонстрирован детектор, имеющий время отклика 170 пс. В монолитном исполнении пироэлектрический детектор сформирован на КМОП структуре, которая содержит системы считывания электрического сигнала и его предварительное усиление (А. Рогальский. Инфракрасные детекторы. Пер. с англ. под ред. А.В. Войцеховского. Новосибирск, Наука 2003, 636 с.).Known pyroelectric detector, which is a thin pyroelectric film with two contact electrodes (upper and lower), located perpendicular to the direction of spontaneous polarization of the pyroelectric film (A. Rogalsky. Infrared detectors. Transl. From English. Ed. By A.V. Voitsekhovsky. Novosibirsk , Nauka 2003, 636 pp.). The composition of the pyroelectric film is selected in such a way that it is also an IR radiation absorber. Therefore, the upper electrode facing the measured radiation is made translucent to IR radiation. The thickness of the pyroelectric film is approximately 1-2 micrometers, which provides a low heat capacity of the pyrodetector and, therefore, its high sensitivity and speed. Unlike other types of thermal detectors (for example, bolometric detectors), the pyrodetector has a high response speed, that is, it is capable of operating at high frequencies. In work (C. B. Poundy, R. L. Byer, D. W. Phillion and D. J. Kuizenga. A 170 psec pyroelectric detector. Optical Communication, p. 374-377, 1974.) a detector having a response time of 170 ps was demonstrated. In a monolithic version, a pyroelectric detector is formed on a CMOS structure, which contains systems for reading an electrical signal and its preliminary amplification (A. Rogalsky. Infrared detectors. Translated from English ed. By A. V. Voitsekhovsky. Novosibirsk, Nauka 2003, 636 p. ).
Недостатком данного детектора является то, что исторически пироэлектрический детектор излучения был оптимизирован на инфракрасную область спектра с длиной волны 3-20 мкм и обладает весьма низкой чувствительностью в миллиметровой области спектра (С.В. Poundy, R.L. Byer, D.W. Phillion and D.J. Kuizenga. A 170 psec pyroelectric detector. Optical Communication, p. 374-377, 1974.).The disadvantage of this detector is that historically the pyroelectric radiation detector has been optimized for the infrared region of the spectrum with a wavelength of 3-20 microns and has a very low sensitivity in the millimeter region of the spectrum (S.V. Poundy, RL Byer, DW Phillion and DJ Kuizenga. A 170 psec pyroelectric detector. Optical Communication, pp. 374-377, 1974.).
Известен малогабаритный приемник оптического излучения пироэлектрический МГ-33 ([Электронный ресурс] / ОАО НПП «Восток»: http:// www.vostok.nsk.su/files/pdf/MG33.pdf). Приемное устройство МГ-33 представляет собой пироэлектрический приемник теплового излучения с интегральным предусилителем, предназначенный для регистрации и измерения модулированного излучения в диапазоне длин волн от 2 мкм до 20 мкм. Прибор состоит из тонкопленочного пироэлектрического датчика и гибридного предварительного усилителя. Размер приемной площадки 1×1 мм2. Входное окно приемника выполнено из германия с просветляющим покрытием, обеспечивающим максимум чувствительности в диапазоне длин волн (8-14) мкм.Known small-sized pyroelectric optical radiation receiver MG-33 ([Electronic resource] / JSC NPP Vostok: http: // www.vostok.nsk.su/files/pdf/MG33.pdf). Receiver MG-33 is a pyroelectric receiver of thermal radiation with an integrated preamplifier, designed for registration and measurement of modulated radiation in the wavelength range from 2 μm to 20 μm. The device consists of a thin-film pyroelectric sensor and a hybrid preamplifier. The size of the receiving area is 1 × 1 mm 2 . The input window of the receiver is made of germanium with an antireflection coating, which provides the maximum sensitivity in the wavelength range (8-14) µm.
Недостатком пироэлектрического приемника является его низкая чувствительность в миллиметровом диапазоне длин волн и высокие потери излучения на отражение от германия, так как германий в диапазоне длин волн от 0,3 мм до 2,5 мм имеет высокий показатель преломления материала N=3,92 - 4 (Minin O.V., Minin I.V. Diffractional optics of millimetre waves. – Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. – 396 p.). The disadvantage of a pyroelectric receiver is its low sensitivity in the millimeter wavelength range and high radiation losses due to reflection from germanium, since germanium in the wavelength range from 0.3 mm to 2.5 mm has a high refractive index of the material N = 3.92 - 4 (Minin OV, Minin IV Diffractional optics of millimeter waves. - Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. - 396 p.).
В качестве прототипа выбрано устройство пироэлектрического детектора миллиметрового излучения (патент РФ 2606516, МПК G01R 29/08). Пироэлектрический детектор выполнен на основе пироэлектрической пленки с системой считывания сигнала, на поверхности пироэлектрической пленки размещен ультратонкий резонансный поглотитель, состоящий из диэлектрической пленки, с одной стороны которой, обращенной к падающему излучению, выполнен металлизированный топологический рисунок, образующий частотно избирательную поверхность и обеспечивающий поглощение на заданной длине волны миллиметрового излучения, а с обратной стороны нанесен сплошной слой с металлической проводимостью, который имеет с пироэлектрической пленкой надежный физический контакт, обеспечивающий эффективную передачу тепловой волны от поглотителя к пироэлектрической пленке.A pyroelectric detector of millimeter radiation (RF patent 2606516, IPC G01R 29/08) was selected as a prototype. The pyroelectric detector is made on the basis of a pyroelectric film with a signal readout system, an ultrathin resonant absorber is placed on the surface of the pyroelectric film, consisting of a dielectric film, on one side of which, facing the incident radiation, a metallized topological pattern is made that forms a frequency selective surface and provides absorption at a given the wavelength of millimeter radiation, and on the reverse side there is a continuous layer with metallic conductivity, which has reliable physical contact with the pyroelectric film, ensuring effective transfer of the thermal wave from the absorber to the pyroelectric film.
Недостатком пироэлектрического детектора является его низкая чувствительность в миллиметровом диапазоне длин волн излучения.The disadvantage of a pyroelectric detector is its low sensitivity in the millimeter range of radiation wavelengths.
Задачей полезной модели является создание малогабаритного пироэлектрического детектора, обладающего высокой чувствительностью в миллиметровой области электромагнитного излучения.The task of the utility model is to create a small-sized pyroelectric detector with high sensitivity in the millimeter range of electromagnetic radiation.
Технический результат: реализация возможности детектирования электромагнитного излучения в миллиметровой области с высокой чувствительностью.EFFECT: implementation of the possibility of detecting electromagnetic radiation in the millimeter range with high sensitivity.
Указанная задача решается тем, что в пироэлектрическом детекторе, выполненном на основе пироэлектрической пленки с системой считывания сигнала, на поверхности пироэлектрической пленки размещен ультратонкий резонансный поглотитель, состоящий из диэлектрической пленки, с одной стороны которой, обращенной к падающему излучению, выполнен металлизированный топологический рисунок, образующий частотно избирательную поверхность и обеспечивающий поглощение на заданной длине волны миллиметрового излучения, а с обратной стороны нанесен сплошной слой с металлической проводимостью, который имеет с пироэлектрической пленкой надежный физический контакт, обеспечивающий эффективную передачу тепловой волны от поглотителя к пироэлектрической пленке, новым является то, что непосредственно на поверхности ультратонкого резонансного поглотителя обращенного к падающему излучению расположена мезоразмерная частица с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,9, формирующая на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4.This problem is solved by the fact that in a pyroelectric detector based on a pyroelectric film with a signal readout system, an ultrathin resonant absorber is placed on the surface of the pyroelectric film, consisting of a dielectric film, on one side of which, facing the incident radiation, a metallized topological pattern is made. frequency selective surface and providing absorption at a given wavelength of millimeter radiation, and on the reverse side a continuous layer with metallic conductivity is applied, which has a reliable physical contact with the pyroelectric film, which ensures effective transfer of the heat wave from the absorber to the pyroelectric film; on the surface of an ultrathin resonant absorber facing the incident radiation, there is a meso-sized particle with a characteristic size of at least λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used, with a relative the refractive index of the material lying in the range from 1.2 to 1.9, forming on its outer boundary on the opposite side of the incident radiation a region with increased radiation intensity with transverse dimensions of the order of λ / 3 - λ / 4.
Известно, что фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических систем заключается в том, что минимальный размер различимого объекта несколько меньше длины волны используемого излучения и принципиально ограничен дифракцией этого излучения (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978). Невозможность сфокусировать свет в свободном пространстве в пятно с размерами меньше некоторого дифракционного предела следует и из соотношения типа соотношения неопределенностей Гейзенберга (Minin I.V., Minin O.V. Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 56, No. 10, October 2014, 2436-2439).It is known that the fundamental Rayleigh criterion for the resolution of optical systems is that the minimum size of a distinguishable object is slightly less than the wavelength of the radiation used and is fundamentally limited by the diffraction of this radiation (Born M., Wolf E. Osnovy optiki. - M .: Mir, 1978). The impossibility of focusing light in free space into a spot with dimensions less than a certain diffraction limit also follows from a relation like the Heisenberg uncertainty relation (Minin IV, Minin OV Experimental verification 3D subwavelength resolution beyond the diffraction limit with a zone plate in millimeter wave // Microwave and Optical Technology Letters , Vol. 56, No. 10, October 2014, 2436-2439).
Под преодолением дифракционного предела понимается фокусировка излучения в пятно с размерами меньше, чем у пятна Эйри (Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Мир, 1978).By overcoming the diffraction limit is meant focusing radiation into a spot with dimensions smaller than that of the Airy spot (Born M., Wolf E. Osnovy optiki. - M .: Mir, 1978).
Преодолеть дифракционный предел в оптике можно различными способами, например, с помощью эффекта «фотонной наноструи» (например, см. A.Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl.Phys.Lett., 89, 221118 (2006)). Поперечный размер фотонной наноструи составляет 1/3 … 1/4 длины волны излучения, что меньше дифракционного предела классической линзы. Продольные размеры фотонной струи лежат в диапазоне (1-5) длины волны излучения. The diffraction limit in optics can be overcome in various ways, for example, using the "photon nanojet" effect (for example, see A. Heifetz et al. Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet // Appl.Phys.Lett., 89, 221118 (2006)). The transverse size of the photonic nanojet is 1/3 ... 1/4 of the radiation wavelength, which is less than the diffraction limit of a classical lens. The longitudinal dimensions of the photonic jet are in the range (1-5) of the radiation wavelength.
При этом формировать локальные области концентрирования электромагнитной энергии вблизи поверхности мезоразмерных диэлектрических частиц возможно с помощью частиц различной формы, например, в форме сферы, усеченной сферы, куба, пирамиды, конуса, цилиндра, диска и т.д. при облучении их электромагнитной волной с плоским волновым фронтом и т.д. (I.V.Minin and O.V.Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook).In this case, it is possible to form local areas of concentration of electromagnetic energy near the surface of meso-sized dielectric particles using particles of various shapes, for example, in the form of a sphere, truncated sphere, cube, pyramid, cone, cylinder, disk, etc. when they are irradiated with an electromagnetic wave with a plane wave front, etc. (I.V.Minin and O.V.Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016 http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook).
В результате проведенных исследований было обнаружено, что диэлектрические мезочастицы произвольной формы, например в форме куба или сферы, с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала, лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,9, при ее облучении электромагнитной волной с плоским волновым фронтом, формируют на ее внешней границе с противоположной стороны от падающего излучения локальную область с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3-λ/4, при этом эффект формирования локальной области повышенной интенсивности излучения непосредственно на границе частицы сохраняется в широком диапазоне углом падения излучения.As a result of the studies carried out, it was found that dielectric mesoparticles of arbitrary shape, for example, in the form of a cube or a sphere, with a characteristic size of at least λ / 2, where λ is the wavelength of the radiation used, with a relative refractive index of the material lying in the range from 1.2 up to 1.9, when it is irradiated with an electromagnetic wave with a flat wavefront, a local region with an increased radiation intensity with transverse dimensions of the order of λ / 3-λ / 4 is formed on its outer boundary on the opposite side of the incident radiation, while the effect of the formation of a local region increased radiation intensity directly at the particle boundary is maintained in a wide range of the angle of incidence of radiation.
При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы менее 1,2 поперечный размер локальной области концентрации поля становится порядка и более дифракционного предела и не обеспечивает значительного повышения интенсивности электромагнитного поля на ее границе. При коэффициенте преломления материала мезоразмерной частицы более 1,9 локальная концентрация электромагнитного поля возникает внутри частицы и не может быть использована для повышения чувствительности фотокатода.When the refractive index of the material of a mesoscale particle is less than 1.2, the transverse size of the local area of the field concentration becomes on the order of or more than the diffraction limit and does not provide a significant increase in the intensity of the electromagnetic field at its boundary. When the refractive index of the material of the meso-sized particle is more than 1.9, the local concentration of the electromagnetic field arises inside the particle and cannot be used to increase the sensitivity of the photocathode.
В результате проведенных исследований, было обнаружено, что при облучении диэлектрических частичек с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны используемого излучения, с относительным коэффициентом преломления материала не менее 1,9, происходит формирование внутри частицы области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4. При этом диэлектрические частицы могут иметь различную форму поверхности: куб, шар, усеченный шар, цилиндр, диск, пирамида, усеченная пирамида и т.д. (И.В.Минин, О.В.Минин. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С.4-10; Minin I.V., Minin O.V., Kharitoshin N.A. Localized high field enhancements from hemispherical 3D mesoscale dielectric particles in the reflection mode // 16th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2015; V.Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin, O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. V.105, 084102 (2014)).As a result of the studies, it was found that when dielectric particles with a characteristic size of at least λ / 2 are irradiated, where λ is the wavelength of the radiation used, with a relative refractive index of the material at least 1.9, a region with an increased radiation intensity is formed inside the particle with transverse dimensions of the order of λ / 3 - λ / 4. In this case, dielectric particles can have a different surface shape: a cube, a ball, a truncated ball, a cylinder, a disk, a pyramid, a truncated pyramid, etc. (IV Minin, OV Minin . Photonics of isolated dielectric particles of arbitrary three-dimensional shape - a new direction of optical information technologies // Vestnik NSU. Series: Information technologies. 2014, No. 4, P.4-10; Minin IV, Minin OV, Kharitoshin NA Localized high field enhancements from hemispherical 3D mesoscale dielectric particles in the reflection mode // 16th International Conference of Young Specialists on Micro / Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2015; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, IV Minin, OV Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. V.105, 084102 (2014)).
Форма мезоразмерной частицы определяется конструктивными особенностями пироэлектронного приемника.The shape of a mesoscale particle is determined by the design features of the pyroelectronic receiver.
Для мезоразмерной частицы с характерным размером порядка длины волны излучения интенсивность света непосредственно на границе частицы превосходит падающую интенсивность примерно в 7-8 раз, для частицы с характерными размерами порядка двух длин волн - примерно в 20 раз. Для частиц большего размера величина этого отношения увеличивается еще сильнее.For a meso-sized particle with a characteristic size of the order of the radiation wavelength, the light intensity directly at the particle boundary exceeds the incident intensity by about 7-8 times, for a particle with a characteristic size of the order of two wavelengths - about 20 times. For larger particles, the value of this ratio increases even more.
Малые габариты мезоразмерной частицы, фокусирующей электромагнитное излучение, обеспечивают малые габариты приемного устройства.The small dimensions of the mesoscale particle focusing the electromagnetic radiation ensure the small dimensions of the receiving device.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом.The claimed utility model is illustrated by a drawing.
На фигуре 1 показана структура одиночного детектора миллиметрового излучения, где 1 - диэлектрический слой, 2 - частотно избирательная поверхность, которая представляет собой топологический рисунок, выполненный в слое металла, обеспечивающий резонансное поглощение на заданной длине волны миллиметрового излучения, 3 - слой с металлической проводимостью, 4 - пироэлектрическая пленка (электроды не показаны), 5 - система считывания сигнала с пироэлектрической пленки, 6 - миллиметровое излучение, 7 - выходной сигнал к приемнику, 8 – мезоразмерная частица, 9 – область повышенной интенсивности излучения и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4.Figure 1 shows the structure of a single millimeter radiation detector, where 1 is a dielectric layer, 2 is a frequency selective surface, which is a topological pattern made in a metal layer that provides resonant absorption at a given wavelength of millimeter radiation, 3 is a layer with metallic conductivity, 4 - pyroelectric film (electrodes not shown), 5 - signal reading system from pyroelectric film, 6 - millimeter radiation, 7 - output signal to the receiver, 8 - mesoscale particle, 9 - region of increased radiation intensity and with transverse dimensions of the order of λ / 3 - λ / 4.
Детектор работает следующим образом. Миллиметровое излучение 6 падает на мезоразмерную частицу 8, расположенную непосредственно на поверхности ультратонкого резонансного поглотителя обращенного к падающему излучению 2. Мезоразмерная частица 8 формирует на своей теневой поверхности область повышенной интенсивности излучения 9 и с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4. Интенсивное миллиметровое излучение 9 поглощается резонансным поглотителем (слои 1+2+3), что приводит к более интенсивному нагреву поглотителя и пироэлектрической пленки, на которой размещен поглотитель. Нагрев пироэлектрической пленки формирует пироэлектрический сигнал, который регистрируется системой считывания пироэлектрического детектора. Таким образом, энергия миллиметрового излучения преобразуется в выходной электрический сигнал 7, пропорциональный интенсивности миллиметрового излучения 6.The detector works as follows.
Изготовление мезоразмерных частиц возможно, например, методами фотолитографии (патент РФ № 2350996), 3D-принтера, механической обработки, прессования, литья под давением и т.д.The production of meso-sized particles is possible, for example, by photolithography (RF patent No. 2350996), a 3D printer, mechanical processing, pressing, injection molding, etc.
Нанесение мезоразмерных частиц на поверхность отдельных дискретных пироэлектрических элементов возможно одним из известных способов, например, (патент РФ № 1816329, 2248066, Брендель В. М, Букин В.В., Гарнов С.В., Багдасаров В.Х., Денисов Н.Н., Гаранин С.Г., Терехин В.А., Трутнев Ю.А. Метод лазерного напыления УФ фотокатодов на основе галогенидов щелочных металлов // Квантовая электроника, 2012, т. 42, № 12, с. 1128-1132).The deposition of mesoscale particles on the surface of individual discrete pyroelectric elements is possible by one of the known methods, for example, (RF patent No. 1816329, 2248066, Brendel V. M, Bukin V.V., Garnov S.V., Bagdasarov V.Kh., Denisov N N., Garanin S.G., Terekhin V.A., Trutnev Yu.A. Method of laser deposition of UV photocathodes based on alkali metal halides // Quantum Electronics, 2012, vol. 42, no. 12, pp. 1128-1132 ).
В качестве материала мезоразмерной частицы в миллиметровом диапазоне длин волн могут быть использованы, например, (Minin O.V., Minin I.V. Diffractional optics of millimetre waves. – Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. – 396 p.): полистирол имеет показатель преломления N=1,59-1,60 в диапазоне длин волн 0,6-30 мм, полиэтилен: N=1,51-1,52 в диапазоне длин волн 0,3-30 мм; фторопласт 4: N=1,43-1,46 в диапазоне длин волн 0,6-30 мм; поли-4-метилпентен: N=1,51 в диапазоне длин волн 0,2-2 мм; парафин: N=1,48-1,51 в диапазоне длин волн 1,3-4,2 мм и т.д. As a material of a mesoscale particle in the millimeter wavelength range, for example, (Minin OV, Minin IV Diffractional optics of millimeter waves. - Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. - 396 p.): Polystyrene has a refractive index N = 1.59-1.60 in the wavelength range 0.6-30 mm, polyethylene: N = 1.51-1.52 in the wavelength range 0.3-30 mm; fluoroplastic 4: N = 1.43-1.46 in the wavelength range of 0.6-30 mm; poly-4-methylpentene: N = 1.51 in the wavelength range of 0.2-2 mm; paraffin: N = 1.48-1.51 in the wavelength range 1.3-4.2 mm, etc.
Достигаемый в такой конструкции пироэлектрического детектора полезный эффект выражается в повышенной чувствительности устройства. The beneficial effect achieved in this design of the pyroelectric detector is expressed in the increased sensitivity of the device.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021121364U RU207821U1 (en) | 2021-07-20 | 2021-07-20 | PYROELECTRIC MILLIMETER RADIATION DETECTOR |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021121364U RU207821U1 (en) | 2021-07-20 | 2021-07-20 | PYROELECTRIC MILLIMETER RADIATION DETECTOR |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU207821U1 true RU207821U1 (en) | 2021-11-18 |
Family
ID=78610852
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021121364U RU207821U1 (en) | 2021-07-20 | 2021-07-20 | PYROELECTRIC MILLIMETER RADIATION DETECTOR |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU207821U1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU5472U1 (en) * | 1996-09-24 | 1997-11-16 | Юрий Никитович Долганин | PYROELECTRIC RADIATION RECEIVER |
| US20050275696A1 (en) * | 2004-06-09 | 2005-12-15 | Hiromu Miyazawa | Piezoelectric element, piezoelectric actuator, piezoelectric pump, ink jet recording head, ink jet printer, surface acoustic wave element, frequency filter, oscillator, electronic circuit, thin film piezoelectric resonator, and electronic apparatus |
| RU2413186C2 (en) * | 2009-04-20 | 2011-02-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Multi-layered pyroelectric sensing element |
| RU160810U1 (en) * | 2015-10-15 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | SUBWAVE WAVE FRONT SENSOR |
| RU2606516C2 (en) * | 2015-02-16 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) | Pyroelectric millimeter radiation detector (versions) |
| RU2655714C1 (en) * | 2016-12-12 | 2018-05-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Method of registration of electromagnetic radiation in ir, microwave and terahertz range of wave-lengths |
-
2021
- 2021-07-20 RU RU2021121364U patent/RU207821U1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU5472U1 (en) * | 1996-09-24 | 1997-11-16 | Юрий Никитович Долганин | PYROELECTRIC RADIATION RECEIVER |
| US20050275696A1 (en) * | 2004-06-09 | 2005-12-15 | Hiromu Miyazawa | Piezoelectric element, piezoelectric actuator, piezoelectric pump, ink jet recording head, ink jet printer, surface acoustic wave element, frequency filter, oscillator, electronic circuit, thin film piezoelectric resonator, and electronic apparatus |
| RU2413186C2 (en) * | 2009-04-20 | 2011-02-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" | Multi-layered pyroelectric sensing element |
| RU2606516C2 (en) * | 2015-02-16 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) | Pyroelectric millimeter radiation detector (versions) |
| RU160810U1 (en) * | 2015-10-15 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | SUBWAVE WAVE FRONT SENSOR |
| RU2655714C1 (en) * | 2016-12-12 | 2018-05-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Method of registration of electromagnetic radiation in ir, microwave and terahertz range of wave-lengths |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Паулиш А.Г., Кузнецов С.А., "Селективный пироэлектрический детектор миллиметрового излучения с ультратонким резонансным метапоглотителем", Письма в ЖТФ, 2016, том 42, вып. 22, стр.64-71. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Malhotra et al. | Terahertz antenna technology for imaging applications: A technical review | |
| EP0903566B1 (en) | Imaging system functioning on submillimeter waves | |
| US20150316511A1 (en) | Real-time detection and imaging of terahertz pulse radiation by using photoacoustic conversion | |
| Wen et al. | Photomechanical meta-molecule array for real-time terahertz imaging | |
| Bilgin et al. | A MEMS-based terahertz detector with metamaterial-based absorber and optical interferometric readout | |
| Pradere et al. | Photothermal converters for quantitative 2D and 3D real-time terahertz imaging | |
| Chen et al. | Multiphysics simulation of hypersensitive microbolometer sensor using vanadium dioxide and air suspension for millimeter wave imaging | |
| RU207821U1 (en) | PYROELECTRIC MILLIMETER RADIATION DETECTOR | |
| Chen et al. | Advances in Terahertz Detection and Imaging | |
| RU2655714C1 (en) | Method of registration of electromagnetic radiation in ir, microwave and terahertz range of wave-lengths | |
| RU2735906C1 (en) | Device for visualizing terahertz radiation sources | |
| US11099060B2 (en) | Metal-insulator-metal high-sensitivity surface plasmon polariton terahertz wave detector | |
| Budhu et al. | Dielectric resonator antenna-coupled antimonide-based detectors (DRACAD) for the infrared | |
| RU2414688C1 (en) | Terahertz radiation matrix receiver | |
| Sizov | Detectors and Sources for THz and IR | |
| RU2606516C2 (en) | Pyroelectric millimeter radiation detector (versions) | |
| Saha | Advances in terahertz imaging | |
| RU171359U1 (en) | Integrated antenna | |
| Stevenson et al. | Verification of Metal-Mesh Filter Response via ANSYS HFSS Simulation | |
| Gerasimov et al. | Method for identifying diffraction satellites of surface plasmons in terahertz frequency range | |
| Hanamura et al. | Spectral control of thermal radiation using rectangular micro-cavities on emitter-surface for thermophotovoltaic generation of electricity | |
| Ge et al. | A thermocouple based on wideband hybrid metamaterial absorber for mid-infrared photo-thermoelectric detector | |
| Cetnar | Full wave electromagnetic simulations of terahertz wire grid polarizers and infrared plasmonic wire gratings | |
| Gong et al. | Opto-mechanical stacked metamaterials for optical readout millimeter wave detection | |
| RU2447574C1 (en) | Terahertz emission converter (versions) |