ФОТОКОНВЕРТОР Российский патент 2003 года по МПК G02F1/00 G01J1/42 H01Q3/26 

Изобретение относится к области физики и электричества.

Заявляемое устройство позволяет взаимно преобразовывать оптическую и электрическую энергию и может использоваться как фотоприемник, модулятор, излучатель, автоматический затвор, управляемый транспарант, краситель, нелинейная среда и т.п.

Известны преобразователи волновых полей - излучающие и приемные антенны, например, в виде симметричного полуволнового вибратора [1].

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании этих известных устройств, относится то, что уровень техники не позволял до последнего времени создавать объекты, характеристические размеры элементов которых соизмеримы с длиной волны частиц, используемых для осуществления преобразований.

Также известны такие нелинейные элементы как туннельный контакт [2] и способный детектировать оптические частоты градиентный концентратор [3].

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании этих известных устройств, относится то, что они не обладают резонансностью преобразуемой частоте и, вследствие этого, не обеспечивают спектральной селективности и высокой чувствительности.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является содержащая электромагнитный вибратор "Оптическая антенна" [4].

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании этого устройства, относится то, что предлагаемые для применения в нем нелинейные элементы (диоды) с полупроводниковыми переходами принципиально не работоспособны в оптическом диапазоне, поскольку время восстановления (релаксации) самых быстродействующих твердотельных диодов (τ≈1 нс) на несколько порядков больше периода световой волны.

Задачей, которую предназначено решить заявляемое устройство, является возможность преобразований в оптическом диапазоне частот. К таким преобразованиям относятся резонансное, т.е. избирательное отражение, поглощение и нелинейные взаимодействия.

Этот результат достигается тем, что плечи указанного вибратора сближены так, чтобы зазор между ними не превышал туннельно-прозрачного.

Дополнительной задачей, решаемой изобретением, является возможность узкополосного излучения.

Это достигается тем, что плечи указанного вибратора снабжены выводами для соединения с внешними цепями.

Второй дополнительной задачей, решаемой изобретением, является возможность резонансного, т.е. высокочувствительного приема.

Это достигается тем, что сближенные части плечей указанного вибратора выполнены в виде острия и антиострия, образуя в зазоре градиентный концентратор.

Третьей дополнительной задачей, решаемой изобретением, является повышение эффективности приема и нелинейного взаимодействия за счет двухполупериодного детектирования принимаемой частоты.

Это достигается тем, что плечи указанного вибратора включены в диагональ выпрямительного моста из градиентных концентраторов, другая диагональ которого снабжена выводами.

Четвертой дополнительной задачей, решаемой изобретением, является обеспечение заданной полосы частот преобразований.

Это достигается тем, что указанный вибратор выполнен широкополосным, например Х-образным, в виде логоспиральной антенны и т.п.

Пятой дополнительной задачей, решаемой изобретением, является обеспечение возможности изменения параметров преобразований.

Это достигается тем, что указанные вибраторы размещены в среде с управляемой проводимостью, диэлектрической и/или магнитной проницаемостью.

Шестой дополнительной задачей, решаемой изобретением, является дальнейшее повышение эффективности преобразований.

Это достигается тем, что указанные вибраторы включены в матрицу.

Седьмой дополнительной задачей, решаемой изобретением, является формирование заданной спектральной характеристики и расширение технических возможностей.

Это достигается тем, что вибраторы, включенные в указанную матрицу, имеют размеры, соответствующие разным резонансным частотам.

Восьмой дополнительной задачей, решаемой изобретением, является дальнейшее расширение технических возможностей.

Это достигается тем, что размещенные на указанной матрице вибраторы объединены в группы, снабженные выводами для подключения к внешним цепям.

Причинно-следственную связь между совокупностью перечисленных признаков и упомянутыми техническими результатами обосновывает то, что свет - электромагнитный процесс. Поэтому в основу заявляемого изобретения положены представления классической электродинамики, а следовательно, и обычный радиотехнический подход, из которого ясно - для работы фотоконвертора необходим гальванический контакт между плечами вибратора и выводами нелинейного элемента (электродами градиентного концентратора). При этом во избежание отражений, поперечные размеры вибратора должны быть близки, а в идеале совпадать с размерами выводов (электродов) нелинейного элемента. Однако технологические нормы современной микроэлектроники не допускают изготовления контактных площадок размером менее 10 мкм (минимальный диаметр микропровода 8 мкм), что не только образует отражающую неоднородность, но и во много раз больше размеров самой антенны.

Таким образом, известные способы соединения вибратора с нелинейным элементом делают фотоконвертор неработоспособным.

Рассматриваемые устройства изготавливаются по существующей нанотехнологии.

На фиг. 1 изображена простейшая реализация фотоконвертора резонансного типа.

На фиг.2 изображен резонансный излучатель.

На фиг.3 изображен резонансный фотоприемник.

На фиг.4 изображен резонансный фотоприемник повышенной эффективности.

На фиг.5 изображен резонансный нелинейный элемент.

На фиг.6 изображены варианты широкополосных преобразователей.

На фиг.7 изображен фрагмент матрицы монохроматичных излучателей.

На фиг.8 изображен фрагмент матрицы монохроматичных приемников.

На фиг.9 изображен фрагмент матрицы широкополосных излучателей.

На фиг.10 изображен фрагмент матрицы ахроматичных приемников.

На фиг.11 изображен фрагмент матрицы градиентных концентраторов.

На фиг.12 изображены фрагменты многослойных матриц.

На фиг.13 изображены фрагменты матриц нелинейных элементов.

На фиг.14 изображена управляемая линейка преобразователей.

На фиг.15 изображен фрагмент матрицы широкополосных преобразователей.

На фиг.16 изображен фрагмент растра, образованного группами вибраторов.

Заявляемый объект устроен и функционирует следующим образом.

Поскольку эффективность поглощения электромагнитной волны вибратором определяется согласованием его волнового сопротивления с волновым сопротивлением среды, в которой распространяется волна, то показанный на фиг.1 симметричный полуволновой вибратор, плечи 1 которого разделены туннельно-прозрачным зазором 2, переизлучит падающую электромагнитную волну резонансной частоты практически без искажений, если зазор 2 изчезающе мал, а добротность вибратора высока. Таким образом, избирательное переизлучение множества одинаковых вибраторов, распределенных по поверхности неотражающего или в массе прозрачного тела, окрасит его в спектрально чистый цвет.

Если плечи 1 вибратора выполнены из материала, обладающего соответствующим омическим сопротивлением, или если в зазор 2 включена согласованная нагрузка (например, подбором подложки с необходимыми потерями), то показанное на фиг.1 устройство будет поглощать резонансную частоту, а множество таких вибраторов окрасит подложку в дополнительный цвет.

Увеличение зазора 2 приведет к тому, что для возникновения туннельного тока потребуется некоторая, отличная от нуля, напряженность электрического поля в зазоре 2. Так как световой поток малой интенсивности эквивалентен малой амплитуде падающей электромагнитной волны, то вибратор с волной не взаимодействует, пока его плечи 1 не связаны и являются полуволновыми (переизлучающими) вибраторами для вдвое большей частоты. Туннелирование начнется, когда мгновенное значение амплитуды падающей волны превысит порог, определяемый величиной зазора 2. В результате туннельный ток закорачивает зазор, и вибратор становится резонансным основной частоте. Таким образом, множество подобных вибраторов образует среду с нелинейной характеристикой переизлучения (пропускания) для светового потока заданной частоты.

Показанный на фиг.2 симметричный полуволновой вибратор, плечи 1 которого снабжены выводами 3 для соединения с внешними цепями, позволяет, подавая на зазор 2 постоянное напряжение, выйти на режим, подобный искровому возбуждению вибратора Герца (роль искрового разряда в нашем случае выполняют отдельные электроны). Аналогично при нестационарном эффекте Джозефсона, джозефсоновский контакт, находящийся под постоянным напряжением, генерирует переменный ток [5]. Таким образом, показанное на фиг.2 устройство обеспечивает резонансное излучение как при использовании сверхпроводящего джозефсоновского контакта, так и туннельного контакта при нормальной температуре.

На фиг.3 показан вибратор, сближенные части плечей 1 которого выполнены в виде острия и антиострия, образуя в зазоре градиентный концентратор 4. Поскольку униполярная проводимость достигается в градиентном концентраторе благодаря форме электродов, для него, в отличие от полупроводниковых диодов, не существует проблемы рассасывания носителей, что при чрезвычайно малом времени туннелирования электрона (<10^-16 c) сдвигает граничную частоту в УФ-диапазон. Таким образом, показанное на фиг.3 устройство является резонансньм фотоприемником (продетектированный сигнал снимается с выводов 3).

Дальнейшее повышение эффективности приема достигается за счет двухполупериодного детектирования принимаемой частоты. С этой целью плечи 1 вибратора, показанного на фиг.4, включены в диагональ выпрямительного моста 5 из градиентных концентраторов 4, другая диагональ которого снабжена выводами 3 для соединения с внешними цепями.

Устройства, показанные на фиг. 3 и 4, могут использоваться в качестве нелинейных элементов. С этой целью осуществляют электрическое разъединение плечей вибратора путем отключения нагрузки или подачи противонапряжения. Эта же цель может быть достигнута иначе - путем полевого воздействия на вибратор дополнительным электродом (аналогично изолированному затвору полевого транзистора).

На фиг. 5 показан нелинейный элемент с накоплением заряда. Он повторяет устройство, показанное на фиг. 4, с тем, однако, отличием, что выводы 3 направлены навстречу друг другу и разделены зазором 6. В этом устройстве происходит перераспределение заряда на выводах 3 и, по достижении определенного напряжения, возникший туннельный ток шунтирует зазор 6, обеспечивая короткое замыкание между плечами 1 вибратора.

На фиг.6 показаны варианты широкополосных преобразователей: в виде разночастотных симметричных вибраторов, Х-образной и логоспиральной антенны.

На фиг.7 показана матрица монохроматичных излучателей. Поскольку вибраторы в матрице (по сути - антенной решетке) втягиваются в синхронизм, такое устройство является источником когерентного поляризованного излучения.

На фиг. 8 показана матрица монохроматичных приемников (антенная решетка из симметричных полуволновых вибраторов). Выпрямительные мосты 5 из градиентных концентраторов 4, включенные в плечи 1 вибраторов, связывают их по постоянному току, что снимает сложности фазировки и канализации энергии в нагрузку.

На фиг. 9 показана матрица широкополосных излучателей. Подбором глубины связи и резонансных частот (цвета) вибраторов можно получить непрерывный спектр, тождественный солнечному. Ортогональная решетка второго слоя (не показана) деполяризует излучение.

На фиг. 10 показана матрица ахроматичных приемников. Двухполупериодное детектирование приближает кпд солнечной батареи из таких приемников к теоретическому пределу - поглощательной способности черного тела. Работая на согласованную нагрузку, матрица полностью поглощает падающее излучение. В режиме короткого замыкания добротность вибраторов увеличивается (чему можно способствовать, подавая на выводы 3 напряжение, стимулирующее туннелирование) - матрица становится зеркалом. При отключенной нагрузке (режим холостого хода) туннелирования нет, плечи вибраторов не связаны, следовательно, настроены на вдвое большие частоты - матрица становится прозрачной. Таким образом, представленное на фиг.10 устройство может служить управляемым оптическим затвором (аттенюатором).

На фиг.11 представлен предельный случай расширения полосы приема в дальнюю инфракрасную область. Матрица параллельно-последовательно соединенных градиентных концентраторов 4 (окружностью выделена пара острие-антиострие) является приемником теплового излучения, детектором теплового шума - флуктуации в проводящих электродах. Таким образом, устройство, показанное на фиг.11, может служить эффективным термогенератором для утилизации неиспользуемой в настоящее время низкопотенциальной тепловой энергии (сбросовой, геотермальной и т. п. ), а, учитывая радиационную стойкость градиентных концентраторов, и энергии радиоактивных отходов.

На фиг.12 показаны варианты многослойных матриц. Разноцветные вибраторы (фиг. 12а) соединены выводами 3 с шинами связи 7 с внешними цепями. Матрица, показанная на фиг. 12б, позволяет селективно нагружать одноцветные группы вибраторов и, таким образом, построить перестраиваемый фильтр.

На фиг. 13 показаны матрицы нелинейных элементов. Эти устройства, реагируя на превышение порога освещенности, являются автоматическими затворами и позволяют создать нелинейные материалы с необычными параметрами, например частотно и/или поляризационно-зависимые. Быстродействие таких затворов очень велико, а потому они пригодны для защиты от оптического оружия и мощного лучевого воздействия вообще (маска электросварщика, очки "хамелеон", окно гермошлема, остекление кабины и т.п.).

На фиг. 14 показана управляемая линейка преобразователей. Напряжение, поданное на шины 7, связанные с выводами 3, линейно падает к короткозамкнутому концу. В результате градиентные концентраторы 4 находятся под разным напряжением, стимулирующим или затрудняющим туннелирование в зависимости от полярности и величины напряжения на шинах 7. Это позволяет получить изменяющуюся вдоль линейки фазовую задержку переизлучения или пропускания падающей на линейку плоской волны. Таким образом, устройство, представленное на фиг. 14, позволяет сканировать световой луч. Подобное устройство может использоваться и в радиодиапазоне.

На фиг.15 показана матрица, образованная управляемыми линейками преобразователей на базе поляризационно-независимых логоспиральных антенн. Штриховыми линиями показаны проходящие ниже плоскости рисунка шины 7, связанные с выводами 3 проводниками, ортогональными плоскости рисунка.

На фиг.16 показан растр, образованный группами вибраторов. Такие группы - аналоги рецептивных полей сетчатки глаза могут состоять из ахроматичных (как на фиг.16) или монохроматичных фотоприемников и использоваться для машинного зрения (совместно, например, с ПЗС-матрицей) или создания искусственной сетчатки, тем более, что вырабатываемый фотоприемниками постоянный ток легко канализируется по волокнам с ионной проводимостью.

Помимо непосредственного детектирования такие фотоприемники способны функционировать в режиме модуляции туннельного тока электромагнитным полем принимаемого сигнала. Также возможно гетеродинирование принимаемого сигнала путем подачи на зазор оптической частоты (подсветки).

Для расширения технических возможностей фотоприемники могут быть термоизолированы и снабжены нагрузкой.

Матрицы вибраторов с переключением спектрально чистых цветов найдут применение в устройствах отображения информации - на их основе осуществим цветной дисплей отраженного света и цветной управляемый транспарант.

Сочетание излучающей и приемной матриц позволяет создать импульсные и доплеровские (непрерывного излучения) датчики антиблокировки тормозов, расходомеры, радиовзрыватели, системы инициации динамической защиты и дистанционной охраны, которые, обладая сверхмалыми размерами и массой, не боятся ускорений.

Заявляемые устройства перекрывают разрыв между оптическим и субмиллиметровым диапазонами.

Литература
1. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны, М., 1975.

2. Туннельные явления в твердых телах. Сб. под ред. Э. Бурштейна и С. Лундквиста, M., 1973.

3. Патент РФ 2162257.

4. US 6258401 Bl, 10.07.2001, B 05 D5/12.

5. Бароне А. , Паперно Д. Эффект Джозефсона: физика и применения. M., 1984.

Изобретение позволяет взаимно преобразовывать оптическую и электрическую энергию и может использоваться как фотоприемник, модулятор, излучатель, автоматический затвор, транспарант, краситель, термогенератор, нелинейная среда. Фотоконвертор, выполненный в виде электромагнитного вибратора, зазор между плечами которого не превышает туннельно-прозрачного, осуществляет резонансное, т.е. избирательное отражение, поглощение и нелинейные взаимодействия. Подача на зазор постоянного напряжения переводит вибратор в режим узкополосного излучения, с этой целью плечи вибратора снабжены выводами. Для обеспечения резонансного приема сближение части плечей вибратора выполнены в виде острия и антиострия, образуя в зазоре градиентный концентратор. Двухполупериодное детектирование достигается включение плечей вибратора в диагональ выпрямительного моста из градиентных концентраторов, другая диагональ которого снабжена выводами. Формирование заданной спектральной характеристики достигается включением в матрицу вибраторов разных резонансных частот (цветов), а их объединение в группы, снабженные выводами для подключения к внешним цепям, расширяет технические возможности. Технический результат - создание быстродействующего, высокочувствительного преобразователя оптической и электрической энергии. 7 с.п. ф-лы, 17 ил.

1. Фотоконвертор, содержащий электромагнитный вибратор, отличающийся тем, что плечи указанного вибратора сближены так, чтобы зазор между ними не превышал туннельно-прозрачного.2. Фотоконвертор по п.1, отличающийся тем, что плечи указанного вибратора снабжены выводами для соединения с внешними цепями.3. Фотоконвертор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что сближенные части плеч указанного вибратора выполнены в виде острия и антиострия, образуя градиентный концентратор.4. Фотоконвертор по п.1, отличающийся тем, что плечи указанного вибратора включены в диагональ выпрямительного моста из градиентных концентраторов, другая диагональ которого снабжена выводами.5. Фотоконвертор по пп.1-4, отличающийся тем, что вибратор выполнен широкополосным.6. Фотоконвертор по пп.1-5, отличающийся тем, что вибраторы размещены в среде с управляемой проводимостью, диэлектрической и/или магнитной проницаемостью.7. Фотоконвертор по пп.1-6, отличающийся тем, что указанные вибраторы включены в матрицу.8. Фотоконвертор по п.7, отличающийся тем, что вибраторы, включенные в указанную матрицу, имеют размеры, соответствующие разным резонансным частотам.9. Фотоконвертор по пп.7 и 8, отличающийся тем, что размещенные на указанной матрице вибраторы объединены в группы, снабженные выводами для подключения к внешним цепям.