RU2325729C1 - Неохлаждаемый металлический болометр - Google Patents
Неохлаждаемый металлический болометр Download PDFInfo
- Publication number
- RU2325729C1 RU2325729C1 RU2006136431/28A RU2006136431A RU2325729C1 RU 2325729 C1 RU2325729 C1 RU 2325729C1 RU 2006136431/28 A RU2006136431/28 A RU 2006136431/28A RU 2006136431 A RU2006136431 A RU 2006136431A RU 2325729 C1 RU2325729 C1 RU 2325729C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- film
- sew
- bolometer
- window
- Prior art date
Links
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Изобретение относится к тепловым фотоприемникам для обнаружения монохроматического излучения дальнего инфракрасного (ИК) диапазона и определения угла прихода этого излучения. Разработка может найти применение в спектрометрических и астрономических приборах, в спецтехнике и в средствах связи. Металлический болометр содержит непрозрачную металлическую пленку на оптической теплоизолирующей подложке, размещенной в вакуумированном контейнере, имеющем прозрачное окно. На поверхность пленки нанесен диэлектрический слой определенной толщины. Обращенная к окну поверхность пленки имеет освещаемый детектируемым излучением гофрированный участок протяженностью, равной длине распространения возбуждаемой в пленке поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ). Период гофра рассчитывается по определенной формуле. Изобретение обеспечивает повышение селективности устройства (по частоте, углу прихода и поляризации излучения) и увеличение длинноволновой границы рабочего диапазона до 100 мкм. 1 ил.
Description
Изобретение относится к тепловым фотоприемникам для обнаружения монохроматического излучения дальнего инфракрасного (ИК) диапазона, называемого в последнее время терагерцовым (ТГц) (частота от 0,1 до 10 ТГц), и определения угла прихода этого излучения. Разработка может найти применение в спектрометрических и астрономических приборах, в спецтехнике, в средствах связи посредством ТГц излучения.
Известно, что для обнаружения ТГц излучения используют, главным образом, тепловые приемники (радиационные термопары и болометры) и фотонные приемники (вакуумные фотоэлементы и полупроводниковые фотосопротивления) [1]. При достаточно большой мощности излучения используют пироэлектрические приемники [2] или оптико-акустические элементы Голея [3]. Все эти разновидности приемников являются неселективными или слабо селективными по частоте, углу прихода и поляризации излучения. Кроме того, длинноволновая граница рабочей области известных неохлаждаемых болометров ограничена 50 мкм [4].
Создание лазерных источников (полупроводниковых, на свободных электронах, парах воды и метанола) ТГц излучения, исследования синхротронного и космического излучений, разработка ТГц средств связи и обработки информации, использование ТГц излучения в медицинских томографах [5] обусловило необходимость разработки неохлаждаемых металлических болометров с длинноволновой границей их рабочей области, достигающей нескольких десятых долей миллиметра, и обладающих высокой селективной способностью по частоте, углу падения и поляризации детектируемого излучения.
Известно, что «...при необходимости болометр можно сделать избирательным (по частоте) с помощью внешнего светофильтра или путем введения соответствующих селективных красителей в органическую пленку, наносимую на основной поглощающий слой золотой черни» [4]. Однако такой прием обеспечивает очень невысокую селективность болометра.
Известны селективные фотоприемники, функционирующие на основе барьера Шоттки. В этих фотоприемниках детектируемое монохроматическое излучение возбуждает p-поляризованную поверхностную электромагнитную волну (ПЭВ), что сопровождается увеличением напряженности поля излучения в полупроводнике и повышением квантовой эффективности приемника [6, 7]. При этом возбуждение ПЭВ происходит только при строго определенном угле падения, что конструктивно обеспечивается созданием гофра на границе раздела «металл-полупроводник». Основной недостаток таких фотоприемников - ограниченность их рабочей области видимым и ближним ИК-диапазонами.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является неохлаждаемый металлический болометр, состоящий из непрозрачной металлической пленки, нанесенной на теплоизолирующую оптическую подложку, размещенную в вакуумированном контейнере, снабженном прозрачным окном [4]. Свободная поверхность пленки покрыта слоем золотой или платиновой черни, обеспечивающей поглощение излучения. Основными недостатками известного устройства являются неселективность (по частоте, углу прихода и поляризации излучения) и наличие длинноволновой границы (50 мкм) рабочего диапазона.
Техническим результатом изобретения является повышение селективности устройства (по частоте, углу прихода и поляризации излучения) и увеличение длинноволновой границы рабочего диапазона до 100 мкм (0,1 мм).
Технический результат достигается тем, что в неохлаждаемом металлическом болометре, содержащем непрозрачную металлическую пленку на оптической теплоизолирующей подложке, размещенной в вакуумированном контейнере, имеющем прозрачное окно, на поверхность пленки нанесен диэлектрический слой толщиной do, определяемой по формуле:
где nl - показатель преломления материала слоя, а λ - длина волны излучения в вакууме, при этом обращенная к окну поверхность пленки имеет освещаемый детектируемым излучением гофрированный участок протяженностью, равной длине распространения возбуждаемой в пленке поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ), причем период Λ гофра рассчитывается по формуле:
где φ - угол падения излучения, nПЭВ - показатель преломления ПЭВ.
Нагревание чувствительного элемента болометра детектируемым излучением обеспечивается в результате тепловых потерь ПЭВ по мере ее распространения вдоль пленки. На этом эффекте основан известный болометрический метод регистрации возбуждения ПЭВ [8, 9].
Селективность болометра по поляризации детектируемого излучения следует из того факта, что на поверхности чувствительного металлического элемента болометра может существовать электромагнитная волна только р-поляризации, в которой вектор электрического поля имеет ненулевую перпендикулярную поверхности компоненту [10].
Селективность элемента по частоте и углу прихода детектируемого излучения объясняется резонансным характером фотонного возбуждения ПЭВ. Преобразование падающего (детектируемого) излучения в ПЭВ происходит при равенстве тангенциальной компоненты волнового вектора ПЭВ kx сумме тангенциальных компонент волновых векторов излучения ko и гофра kΛ. Это условие может быть записано в следующем виде [11]:
где Λ - период гофра, ko=2π/λ.
Смещение длинноволновой границы рабочего диапазона вплоть до 0,1 мм достигается вследствие увеличения теплового поглощения энергии поля ПЭВ в металлической пленке при нанесении на ее поверхность диэлектрического слоя толщиной d [12]. Нанесение слоя приводит к перераспределению поля ПЭВ из окружающей среды в пленку, при этом длина распространения ПЭВ в ТГц диапазоне уменьшается на пять порядков и составляет всего десятые доли миллиметра. Соответственно увеличиваются и тепловые потери ПЭВ.
На чертеже приведена схема заявляемого устройства, где цифрами обозначены: 1 - прозрачное окно; 2 - вакуумированный контейнер; 3 - непрозрачная металлическая пленка; 4 - теплоизолирующая оптическая подложка; 5 - диэлектрический слой толщиной do, 6 - окружающая среда (вакуум), 7 - электрические контакты.
Заявляемый болометр работает следующим образом. Детектируемое излучение с ненулевой р-составляющей проникает через окно 1 в контейнер 2, падает на гофрированный участок пленки 3, нанесенной на подложку 4, под углом φ, удовлетворяющим равенству (1), и возбуждает ПЭВ на границе раздела «пленка 3 - слой 5». Поле ПЭВ переносится по трем средам: пленке 3, слою 5 и вакууму 6. В результате тепловых потерь ПЭВ в металле пленка нагревается. Повышение температуры пленки приводит к увеличению ее электрического сопротивления, что регистрирует подключенное к контактам 7 измерительное устройство, например мостовая электрическая схема.
С целью уменьшения радиационных потерь поверхность пленки 3 за пределами окна выполнена плоской. Таким образом, вся энергия излучения, преобразованного в ПЭВ на гофрированном участке пленки, трансформируется в тепловую энергию, выделяемую в пленке.
В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность регистрации с его помощью р-поляризованного излучения с длиной волны λ=10 мкм, модулируемого с частотой 1000 Гц. В качестве материала металлической пленки выберем платину, имеющую следующие физические характеристики: плотность γ=21500 кг/м3, температурный коэффициент β=4·10-3 град-1, удельную теплоемкость С=136 Дж/(кг·град), удельное сопротивление ρ=10-7 Ом/м, комплексную диэлектрическую проницаемость ε=-5400+j·33000 (где j - мнимая единица). Длину платинового элемента положим равной 10 мм, ширину - 1 мм, толщину - 0,1 мкм. В качестве подложки элемента выберем нитроклетчатку [4], на поверхности которой сформирован гофр со следующими параметрами: период Λ=77 мкм, амплитуда (расстояние от оптической поверхности подложки до гребня гофра) δ=50 мкм, длина (расстояние вдоль плоскости падения излучения) 1,0 мм и ширина (расстояние перпендикулярно плоскости падения) не менее ширины элемента, т.е. не менее 1 мм. Плотность мощности детектируемого излучения положим равной 10-2 Вт/мм2, а эффективность преобразования излучения в ПЭВ - 50% [15]. Для обеспечения максимального поглощения энергии поля ПЭВ на поверхность платинового элемента нанесен слой германия толщиной do=7,0 мкм с показателем преломления nl=4,0.
В этом случае излучение преобразуется в ПЭВ с максимальной эффективностью (50%) при угле падения φ=30°14'. При этом длина распространения ПЭВ L (расстояние, на котором энергия поля ПЭВ уменьшается в е=2,718 раз) составляет всего 1 мм, что соответствует коэффициенту затухания ПЭВ α=1/L, равному 103 м-1.
Тогда, согласно работе [9], изменение электрического сопротивления ΔR платинового элемента при падении на него одного импульса излучения продолжительностью Δt=10-3 c составит величину, равную 0,04 Ом. Такая величина ΔR может быть уверенно зарегистрирована с помощью измерительного моста Уитстона на фоне общего сопротивления чувствительного элемента (при комнатной температуре), равного примерно 10 Ом.
Таким образом, заявляемое устройство: 1) позволяет регистрировать при комнатной температуре ТГц излучение с длинноволновой границей до 110 мкм; 2) обеспечивает селективность приема по поляризации, углу падения и длине волны излучения.
Источники информации
1. Смит Р., Джонс Ф., Чесмер Р. Обнаружение и измерение инфракрасного излучения. // М.: Иностранная литература, 1959. - Гл.3-4. - с.63-171.
2. Лайнс М., Гласе А. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы. // М.: Мир, 1981. - С.622-623.
3. Панкратов Н.А. Неселективный оптико-акустический приемник с оптическим микрофоном. // Оптико-механическая промышленность. - 1960. - №1. - с.37-48.
4. Шоль Ж., Марфан И., Мюнш М., Торель П., Комбет П. Приемники инфракрасного излучения. // М.: Мир, 1969. - с.154-186. (прототип)
5. Siegel P.H. Terahertz technology // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 2002. - v.50. - No.3. - p.910-955.
6. Glass A.M., Johnson A.M., Liao P.F.-H. Photodetector // Patent GB 2131229 А (МКИ4 H01L 31/02). - 1984.
7. Беляков Л.В., Сресели О.М. Поверхностные электромагнитные волны и фотоприемники. // Физика и техника полупроводников. - 1991. - т.25. - Вып.8. - с.1282-1296.
8. Yuan-Lin X., Hua Li, Yue-Liang Z. et al. Bolometric observation of nonradia-tive decay of surface-plasmons in silver. // Applied Physics (A). - 1989. - v.48. - No.5. - p.497-500.
9. Большаков М.М., Никитин А.К., Тищенко А.А., Самодуров Ю.И. Устройство для определения коэффициента поглощения ПЭВ металлическими пленками. // Автор, св. СССР №1684634 от 15.06.1991 г.
10. Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шомина Е.В., Яковлев В.А. Распространение ПЭВ по металлическим поверхностям. // Гл.3. (с.70-104) в книге "Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред" под ред. В.М.Аграновича и Д.Л.Миллса. - М.: Наука, 1985. - 525 с.
11. Никитин А.К., Тищенко А.А. Поверхностные электромагнитные волны и их применения. // Зарубежная радиоэлектроника. - 1983. - №3. - с.38-56.
12. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Богомолов Г.Д., Завьялов В.В., Джонг Юнг Ук, Ли Банг Чол, Сеонг Хи Пак, Хек Джин Ча. Поглощение поверхностных плазмонов терагерцового диапазона в структуре "металл-покровный слой-воздух". // Оптика и спектроскопия, 2006, Т.100, №5, с.798-802.
13. Seymour R.J., Krupczak J.J., Stegeman G.I. High efficiency coupling to the overcoated surface plasmon mode in the far infrared. // Applied Physics Letters, 1984, v.44, No.4, p.373-375.
Claims (1)
- Неохлаждаемый металлический болометр, содержащий непрозрачную металлическую пленку на оптической теплоизолирующей подложке, размещенной в вакуумированном контейнере, имеющем прозрачное окно, отличающийся тем, что на поверхность пленки нанесен диэлектрический слой толщиной do, определяемой по формулегде nl - показатель преломления материала слоя, а λ - длина волны излучения в вакууме, при этом обращенная к окну поверхность пленки имеет освещаемый детектируемым излучением гофрированный участок протяженностью, равной длине распространения возбуждаемой в пленке поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ), причем период Λ гофра рассчитывается по формулегде φ - угол падения излучения, nПЭВ - показатель преломления ПЭВ.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006136431/28A RU2325729C1 (ru) | 2006-10-17 | 2006-10-17 | Неохлаждаемый металлический болометр |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006136431/28A RU2325729C1 (ru) | 2006-10-17 | 2006-10-17 | Неохлаждаемый металлический болометр |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2325729C1 true RU2325729C1 (ru) | 2008-05-27 |
Family
ID=39586710
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006136431/28A RU2325729C1 (ru) | 2006-10-17 | 2006-10-17 | Неохлаждаемый металлический болометр |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2325729C1 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2462790C1 (ru) * | 2010-03-02 | 2012-09-27 | Кэнон Кабусики Кайся | Оптический элемент, оптическое устройство и терагерцевое спектроскопическое устройство с разрешением по времени, включающее в себя это устройство |
RU2532650C2 (ru) * | 2008-06-06 | 2014-11-10 | Роберт Бош Гмбх | Многоспектральный датчик |
RU2681224C1 (ru) * | 2017-12-27 | 2019-03-05 | Общество с ограниченной ответственностью "ГрафИмпресс" | Оптимизированный термопарный сенсор |
RU2737678C1 (ru) * | 2020-02-25 | 2020-12-02 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Устройство контроля электромагнитных излучений терагерцевого диапазона |
-
2006
- 2006-10-17 RU RU2006136431/28A patent/RU2325729C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Шоль Ж. и др. Приемники инфракрасного излучения. - М.: Мир, 1969, с.154-186. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2532650C2 (ru) * | 2008-06-06 | 2014-11-10 | Роберт Бош Гмбх | Многоспектральный датчик |
RU2462790C1 (ru) * | 2010-03-02 | 2012-09-27 | Кэнон Кабусики Кайся | Оптический элемент, оптическое устройство и терагерцевое спектроскопическое устройство с разрешением по времени, включающее в себя это устройство |
RU2681224C1 (ru) * | 2017-12-27 | 2019-03-05 | Общество с ограниченной ответственностью "ГрафИмпресс" | Оптимизированный термопарный сенсор |
RU2737678C1 (ru) * | 2020-02-25 | 2020-12-02 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Устройство контроля электромагнитных излучений терагерцевого диапазона |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Panda et al. | Investigation of defect based 1D photonic crystal structure for real-time detection of waterborne bacteria | |
JP5374297B2 (ja) | 赤外線式ガス検知器および赤外線式ガス計測装置 | |
CN103035981B (zh) | 一种超薄金属膜太赫兹吸收层及其制备方法 | |
JP6095856B2 (ja) | 電磁波検出器、及びガス分析装置 | |
RU2325729C1 (ru) | Неохлаждаемый металлический болометр | |
CN102998725B (zh) | 用于吸收太赫兹辐射的粗糙黑化金属薄膜及其制备方法 | |
JP5283825B2 (ja) | 熱型赤外線検出器 | |
Chen et al. | Ultrafast silicon nanomembrane microbolometer for long-wavelength infrared light detection | |
US20130120743A1 (en) | Integrated Surface Plasmon Resonance Sensor | |
JP6269008B2 (ja) | 電磁波−表面ポラリトン変換素子。 | |
Lamsal et al. | Simulation of spectral emissivity of vanadium oxides (VO x)-based microbolometer structures | |
Nan et al. | In situ photoelectric biosensing based on ultranarrowband near-infrared plasmonic hot electron photodetection | |
Varpula et al. | High-performance infrared thermoelectric bolometers based on nanomembranes | |
JP2003304005A (ja) | 熱型赤外線検出素子及び受光素子 | |
Harrick et al. | A thin film optical cavity to induce absorption or thermal emission | |
Zhou et al. | Broadband infrared thermal detection using manganese cobalt nickel oxide thin film | |
Su et al. | A high sensitivity THz detector | |
Ashraf et al. | Integration of an interferometric IR absorber into an epoxy membrane based CO2 detector | |
US20180238739A1 (en) | Optical detector based on an antireflective structured dielectric surface and a metal absorber | |
El-Kady et al. | Tunable narrow-band infrared emitters from hexagonal lattices | |
Wang et al. | Vanadium Oxide thermal sensitive thin film with TiN absorbing layer for uncooled infrared bolometer | |
Suzuki et al. | Application of high refractive index and/or chromogenic layers to control solar and thermal radiations | |
JP2011123023A (ja) | 光センサ | |
KR100339395B1 (ko) | 적층형 볼로메터 센서 및 제조 방법 | |
KR102376711B1 (ko) | 이중 공진구조를 포함하는 마이크로 볼로미터 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20111018 |