Матричный лазерный преобразователь инфракрасного излучения среднего и/или дальнего ИК-диапазона в излучение видимое или ближнего ИК-диапазона

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МАТРИЧНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СРЕДНЕГО И/ИЛИ ДАЛЬНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА В ИЗЛУЧЕНИЕ ВИДИМОЕ ИЛИ БЛИЖНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Матричный лазерный преобразователь инфракрасного излучения среднего и/или дальнего ИК-диапазонов в излучение видимое или ближнего ИК-диапазона, содержащий расположенные на подложке лазер, выполненный в виде последовательно оптически связанных первого брэгговского отражателя, активной среды лазера, электрически связанной с электродами подачи тока инжекции, и электродов подачи напряжения смещения элемент, поглощающий ИК-излучение, отличающийся тем, что содержит оптическую систему, расположенные на подложке второй и третий брэгговские отражатели, два оптически связанных одинаковых геометрических размеров замкнутых волновода, один из которых оптически связан через входной волновод со вторым брэгговским отражателем, оптически связанным с активной средой лазера и электрически соединенный с электродами подачи напряжения смещения, а второй замкнутый волновод оптически связан 12676 1 2009.12.30 через выходной волновод с третьим брэгговским отражателем, причем волноводы расположены на буферных слоях элемент, поглощающий ИК-излучение, выполнен в термическом контакте через буферный слой с замкнутыми волноводами и расположен с их внешней стороны и оптически связан с оптической системой в подложке по центру расположения замкнутых волноводов выполнено отверстие, внешний 1 и внутренний 2 диаметры которого выбраны из условия(1-2)2,где- толщина подложки,а по краям отверстия нанесена пленка, отражающая ИК-излучение. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что участки подложки, на которых расположены буферные слои под обоими замкнутыми волноводами, выполнены из пористого арсенида галлия. 3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что буферные слои выполнены из . 4. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что замкнутые волноводы выполнены из . Изобретение относится к инфракрасной технике и может использоваться в системах безопасности, не чувствительных к электромагнитным помехам, в устройствах контроля процессов сварки и т.д. Известен инфракрасный преобразователь 1, содержащий подложку, тонкая часть которой - мембрана, ограничивающая внутреннюю полость, заполненная жидкостью с малой теплопроводностью, инфракрасный детектор, расположенный на верхней поверхности тонкой части подложки и состоящий из одной или множества термопар, горячие контакты которых расположены на мембране и имеют тепловой контакт с пленкой, поглощающей инфракрасное излучение, холодные контакты указанных термопар расположены на подложке, на которой также монтируется внутренняя полость инфракрасного преобразователя. Описанный преобразователь не обладает достаточно высокой эффективностью преобразования инфракрасного излучения в электрический сигнал, так как на множестве термопар с их металлическими проводниками и в выходных металлических шинах могут появляться электрические сигналы, наведенные внешними электромагнитными полями. Поэтому чувствительность и достоверность преобразования инфракрасного излучения не достаточны для большинства практических приложений. Наиболее близким по технической сущности является матричный лазерный преобразователь ИК-изображений 2, имеющий лазер, подложку, на которой последовательно расположены брэгговский отражатель, активная среда лазера, элемент, поглощающий ИК-излучение- подвижное зеркало резонатора на консольной подвеске, электроды подачи тока инжекции и электроды подачи напряжения смещения, электрически соответственно соединенные с активной средой лазера и консольной подвеской, причем подвижное зеркало резонатора оптически непосредственно связано с оптической системой и через активную среду лазера - с брэгговским отражателем. Указанный преобразователь имеет низкие эффективность и чувствительность преобразования инфракрасного излучения в выходной оптический сигнал видимого диапазона,так как на всех металлических электродах и других проводящих элементах преобразователя могут появляться электрические сигналы и тепловые потоки, наведенные внешними электромагнитными полями. Кроме этого, подвижное металлическое зеркало с консольной подвеской могут нагреваться теплопередачей из активной среды лазера, через которую постоянно протекает ток инжекции и спонтанным излучением, которое рассеивается активной средой лазера во все стороны (до момента появления когерентного излучения,которое частично поглощается металлическим подвижным зеркалом). 2 12676 1 2009.12.30 Техническая задача - увеличение эффективности и чувствительности преобразования инфракрасного излучения среднего и дальнего ИК диапазонов в выходное излучение (видимого или ближнего ИК-диапазона). Поставленная техническая задача решается тем, что в матричный лазерный преобразователь инфракрасного излучения среднего и/или дальнего ИК-диапазона в излучение видимое или ближнего ИК-диапазона, содержащий расположенные на подложке лазер,выполненный в виде последовательно оптически связанных первого брэгговского отражателя, и активной среды лазера, электрически связанной с электродами подачи тока инжекции, и электродов подачи напряжения смещения, элемент, поглощающий ИК-излучение,содержит оптическую систему, расположенные на подложке второй и третий брэгговские отражатели, два оптически связанных одинаковых геометрических размеров замкнутых волновода, один из которых оптически связан через входной волновод со вторым брэгговским отражателем, оптически связанным с активной средой лазера и электрически соединенный с электродами подачи напряжения смещения, а второй замкнутый волновод оптически связан через выходной волновод с третьим брэгговским отражателем, причем волноводы расположены на буферных слоях элемент, поглощающий ИК излучение, выполнен в термическом контакте через буферный слой с замкнутыми волноводами и расположен с их внешней стороны и оптически связан с оптической системой в подложке по центру расположения замкнутых волноводов выполнено отверстие, внешний 1 и внутренний 2 диаметры которого выбраны из условия(1 - 2)2,где- толщина подложки, а по краям отверстия нанесена пленка, отражающая ИКизлучение. Для эффективного решения поставленной технической задачи участки подложки, на которых расположены буферные слои под обоими замкнутыми волноводами, выполнены из пористого арсенида галлия. Для эффективного решения поставленной технической задачи буферные слои выполнены из . Для эффективного решения поставленной технической задачи замкнутые волноводы выполнены из . Совокупность указанных признаков позволяет существенно сократить теплопередачу от чувствительного элемента к подложке и соответственно от активной среды лазера - к чувствительному элементу (первому и второму замкнутым волноводам). Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2. На фиг. 2 приведен разрез предлагаемого устройства. В заявленном устройстве на подложке 1 расположены оптически последовательно связанные первый брэгговский отражатель 2, активная среда 3 лазера 13, второй брэгговский отражатель 4, входной волновод 6, первый замкнутый волновод 11, второй замкнутый волновод 12, выходной волновод 7, третий брэгговский отражатель 16. С активной средой 3 лазера 13 электрически соединены электроды подачи тока инжекции 5. Электроды подачи напряжения смещения 15 электрически связаны со вторым брэгговским отражателем 4. Между подложкой 1 и всеми волноводами устройства (6, 7, 11, 12) расположены буферные слои 10. Буферные слои 10 также расположены над обоими замкнутыми волноводами 11, 12 и термически связаны с элементом, поглощающим ИК- излучение 9. Первый замкнутый волновод 11 и второй замкнутый волновод 12 оптически связаны с оптической системой 8 непосредственно и через пленку, отражающую ИК-излучение 14. Напротив центральной части участка подложки, на котором расположены первый замкнутый волновод 11 и второй замкнутый волновод 12, выполнено отверстие 17, внешний 1 и внутренний 2 диаметры которого выбраны из условия (1 - 2)2, где- толщина подложки,и на краях отверстия 17 нанесена пленка, отражающая ИК- излучение 14. 12676 1 2009.12.30 В конкретном исполнении подложка 1 - эта стандартная пластина арсенида галлия,первый брэгговский отражатель 2 - это набор штрихов глубиной 0,01 мкм вытравленных на поверхности волновода из , следующих друг за другом с периодом 0,25 мкм,как в 3. При длине такого отражателя более 0,2 мм его коэффициент отражения превышает 99 . Второй брэгговский отражатель 4 имеет длину около 0,18 мм и его коэффициент отражения для электромагнитного излучения с длиной волны 1,55 мкм составляет 95 . Активная среда 3 лазера 13 - это область квантовых ям, расположенная в волноводе измежду указанными выше первым брэгговским отражателем 2 и вторым брэгговским отражателем 4. Электроды подачи тока инжекции 5 и электроды подачи напряжения смещения 15 - это полосковые металлические шины, имеющие омический контакт соответственно - с активной средой 3 лазера 13 и вторым брэгговским отражателем 4. Входной волновод 6 и выходной волновод 7, а также первый замкнутый волновод 11 и второй замкнутый волновод 12 - это выполненные методами фотолитографии полосковые одномодовые волноводы шириной 0,5 мкм и толщиной 0,3 мкм из . Оптическая система 8 - это набор линз из германия, который прозрачен во всех рассматриваемых диапазонах ИК-излучения. Элемент поглощающий ИК -излучение 9 - это напыленная в атмосфере водорода пленка окислов металлов, как в 4. Буферные слои 10 - это пленкитолщиной 2,2 мкм, расположенные сверху и снизу волноводов устройства. Лазер 13 - это волноводная структура, состоящая из оптически связанных первого брэгговского отражателя 2, активной среды 3, второго брэгговского отражателя 4. Третий брэгговский отражатель 16 - это ряд вытравленных в выходном волноводе 7 штрихов глубиной 0,01 мкм, как в 3. При толщине буферного слоя более чем 2 мкм, расположенного под выходным волноводом 7, эффективность вывода излучения из выходного волновода 7 может превышать 605. Пленка, отражающая ИК-излучение 14 - это нанесенный методами вакуумной технологии слой алюминия толщиной 1 мкм. Отверстие 17 выполнено в подложке 1 травлением. Работает матричный лазерный преобразователь ИК-изображений следующим образом. В исходном состоянии, когда отсутствует информационное инфракрасное излучение,подложка 1 и все элементы, расположенные на ней, имеют температуру окружающей среды Т 0 (соответствующую окружающему фону). При появлении электрического напряжения на электродах подачи тока инжекции 5 через активную среду 3 лазера 13 начинает проходить ток, создающий в ней инверсную населенность уровней. Положительная обратная оптическая связь между элементами лазера 13 - первым брэгговским отражателем 2, активной средой 3, вторым брэгговским отражателем 4 создает условия для генерации выходного излучения. Частота (или длина волны) генерации выходного излучения лазера 13 задается величиной амплитуды электрического сигнала, поступающего на электроды подачи напряжения смещения 15. Это позволяет выбрать частоту выходного оптического излучения лазера 13, соответствующую собственной резонансной частоте первого замкнутого волновода 11 и второго замкнутого волновода 12. При совпадении указанных частот излучение лазера 13 через входной волновод 6 поступает в первый замкнутый волновод 11, затем во второй замкнутый волновод 12 (так как они оптически связаны) и в итоге - в выходной волновод 7. Коэффициент оптической связи входного волновода 6 и первого замкнутого волновода 11 задается величиной зазора между этими элементами и может быть выбран 0,1. Поэтому для работы одного элемента матрицы лазерного преобразователя 18 ИК-изображений используется лишь незначительная часть выходной оптической мощности лазера 13, а оставшаяся часть может быть использована для работы других элементов матрицы лазерного преобразователя 18 (один источник может обслуживать несколько чувствительных элементов матрицы). В выходном волноводе 7 имеем оптический сигнал с амплитудой, соответствующей условию совпадения постоянной частоты излучения лазера 13 и собственных резонансных частот первого замкнутого волновода 11 и второго замкнутого волновода 12. Большая часть этого оптического сигнала после взаимодействия с третьим брэгговским отражателем 16 отклоняется и поступает на выход. 4 12676 1 2009.12.30 При появлении информационного инфракрасного излучения на входе оптической системы 8 с интенсивностью, превышающей фоновую освещенность, это излучение поступает через оптическую систему 8 как непосредственно на элемент, поглощающий ИК-излучение 9 и участки первого замкнутого волновода 11 и второго замкнутого волновода 12, так и после отражения от поверхности пленки, отражающей ИК-излучение 14. В результате температура элемента, поглощающего ИК-излучение 9, начинает изменяться (90 мощности инфракрасного излучения, падающего на его поверхность, поглощается). За счет процесса теплопередачи температура буферных слоев 10, находящихся в термическом контакте с элементом, поглощающим ИК -излучение 9, изменяется. Так как первый замкнутый волновод 11 находится в термическом контакте с буферными слоями 10, то его температура также изменится. Это приведет к изменению температуры и геометрических размеров термически с ними связанных первого замкнутого волновода 11 и второго замкнутого волновода 12, т.е. их оптической длины. Как известно, изменение оптической длины резонатора приводит к смещению его собственной резонансной полосы пропускания. Таким образом, собственная резонансная полоса пропускания первого замкнутого волновода 11 и второго замкнутого волновода 12 смещается по отношению к начальной при изменении их температуры от исходного значения Т 0. В зависимости от величины этого смещения изменяется часть энергии излучения лазера 13 (видимого или ближнего ИКдиапазона), ответвленного в выходной волновод 7 из второго замкнутого волновода 12. Поэтому величина амплитуды оптического сигнала в выходном волноводе 7 изменяется. Соответственно изменяется часть этого оптического сигнала, отклоненная третьим брэгговским отражателем 17 на выход устройства. Источники информации 1. Патент США 7005643. 2. Липатов Н.И., Бирюков А.С. Матричный лазерный преобразователь ИК изображения в видимое// Квантовая электроника.- 2006.- Т.36.-4.- . 389-391. 3..,.//- 2001.- .13.-12/- . 1277-1279. 4. Синцов В.Н. Исследование свойств золотой черни // ЖПС.- 1966.- - Вып. 6.С. 503-508. 5. Парье О., и др. Оптимизация решеточного узла ввода- вывода излучения из тонкопленочного волновода, сформированного на кремниевой подложке // Квантовая электроника.- 1994.- Т.21.-11.- . 1090-1092. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.