МОДУЛЯТОР ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G02F1/00 

Изобретение относится к области оптоэлектроники, в частности к модуляции интенсивности инфракрасного (далее ИК) излучения магнитным материалом с регулируемой прозрачностью.

Известны различные модуляторы инфракрасного излучения, основанные на различных физических явлениях (Е.Р.Мустель и В.Н.Парыгин, Методы модуляции и сканирования света, М., Наука, 1970). Характеристики оптической среды могут меняться под влиянием электрического поля (эффекты Поккельса и Керра), магнитного поля (эффект Фарадея), под действием упругих напряжений (фотоупругость) и т.п.

Использование магнитного поля как источника, управляющего интенсивностью света, известно из технической литературы. Оно реализуется в магнитооптических модуляторах излучения, использующих магнитные диэлектрики и полупроводники, в модуляторах света, основанных на сдвиге под действием магнитного поля края основной полосы оптического поглощения в магнитных полупроводниках.

Магнитопоглощение - это изменение под действием магнитного поля коэффициента поглощения α магнитного полупроводника: (α_Н-α₀)/α₀, где α_Н - коэффициент поглощения в магнитном поле, α₀ - коэффициент поглощения без магнитного поля. В технических приложениях обычно используется величина магнитопропускания - (t_Н-t₀)/t_H, где t_Н - пропускание в магнитном поле, t₀ - пропускания без магнитного поля.

Известен модулятор ИК-излучения, работающий на явлении магнитопоглощения (магнитопропускания) в магнитном полупроводнике (Н.Н.Лошкарева, Ю.П.Сухоруков, Б.А.Гижевский, А.А.Самохвалов. Модулятор ИК-излучения на магнитном полупроводнике. // Письма в ЖТФ, 1986, Т.15, вып.17, С.83-86).

Модулятор, основанный на магнитопоглощении магнитного полупроводника, имеет простую конструкцию: оптический элемент из магнитного полупроводника - халькогенидной ртутной шпинели HgCr₂Se₄, помещенный в термостабилизирующее устройство, и источник переменного магнитного поля.

Область рабочих температур модулятора различна для n- и р-типа шпинели: для n-HgCr₂Se₄ - это окрестность вблизи температуры Кюри Т_С=115 К, для p-HgCr₂Se₄ - это область температур значительно ниже температуры Кюри Т_С=106 К. Явление магнитопоглощения в шпинели n-типа объясняется подавлением рассеяния на флуктуациях магнитного момента вблизи Т_C, для шпинели р-типа - сложной структурой валентной зоны и анизотропным законом дисперсии дырок.

Основным недостатком модулятора на шпинели HgCr₂Se₄ как n-, так и р-типа является низкая рабочая температура, которую не удается поднять выше Т=120 К ни путем легирования, ни отжигами (К.П.Белов, Ю.Д.Третьяков, И.В.Гордеев, Л.И.Королева, Я.А.Кеслер, Магнитные полупроводники - халькогенидные шпинели. / М.: МГУ, 1981, 280 С.), необходимость термостабилизирующего устройства. Оптический элемент в указанном модуляторе выполнен в виде пластины из монокристалла. Это выдвигает особые требования к качеству выращенных кристаллов и подготовке оптических поверхностей.

Наиболее близким к заявляемому является модулятор ИК-излучения, работающий на эффекте магнитопропускания, в котором в качестве рабочего оптического элемента используется материал, относящийся к классу манганитов с перовскитной структурой - эпитаксиальная пленка La_0.82Na_0.12MnO₃ на подложке LaAlO₃ (Ю.П.Сухоруков, Н.Н.Лошкарева, А.В.Телегин, Е.В.Мостовщикова, В.Л.Кузнецов, А.Р.Кауль, О.Ю.Горбенко, Е.А.Ганьшина, А.Н.Виноградов. Модулятор ИК-излучения на эффекте магнитопропускания в манганите лантана, работающий вблизи комнатной температуры. // Письма в ЖТФ. 2003, Т.29, вып.21, С.55). Эффект магнитопропускания в манганитах имеет место только вблизи температуры Кюри (далее Т_C) при переходе металл-изолятор. Он связан с ростом объема ферромагнитной металлической непрозрачной фазы в основной неферромагнитной прозрачной фазе манганита при приложении к последнему магнитного поля. В отличие от ртутной шпинели, в манганитах в зависимости от состава каждого из них температура Кюри может изменяться в диапазоне температур от 80 до 360 К, включающем комнатную температуру, что важно для широкого практического применения. Для каждого состава манганита величина магнитопропускания максимальна при Т=Т_С этого манганита и резко уменьшается с понижением и повышением температуры. Таким образом, температурная зависимость магнитопропускания имеет вид узкой полосы. Так, при Т=Т_С±(10-15) К магнитопропускание в ˜2 раза меньше максимального значения. Следовательно, для модуляции излучения в заданном интервале температур необходим набор модуляторов, в котором каждый из рабочих оптических элементов имеет свою температуру Кюри и каждый из модуляторов должен иметь устройство для стабилизации температуры.

Модулятор ПК-излучения содержит рабочий оптический элемент, выполненный из эпитаксиальной пленки манганита La_0.82Na_0.12MnO₃ на прозрачной в ИК-области спектра подложке из монокристалла LaAlO₃, помещенный в катушку, создающую управляющее магнитное поле, и термостабилизирующее устройство, в которое модулятор помещен для поддержания температуры рабочего оптического элемента, равной Т_С.

Модулятор ИК-излучения работает следующим образом: приложение переменного магнитного поля к рабочему оптическому элементу за счет изменения соотношения ферромагнитной металлической непрозрачной и неферромагнитной прозрачной фаз в манганите вызывает изменение интенсивности излучения на выходе рабочего элемента с частотой, равной удвоенной частоте источника магнитного поля.

Рабочий оптический элемент состоит из однослойной пленки манганита, обладающего эффектом магнитопропускания. Управляющее магнитное поле может быть направлено различным образом относительно освещаемой поверхности оптического элемента (перпендикулярно, параллельно, под углом). Устройство может работать только при стабилизации температуры магнитооптического элемента вблизи Т_С. Система термостабилизации представляет собой сложную конструкцию, включающую криостат, датчик температуры, нагревательный элемент, электронное управление нагревательным элементом и источник питания.

Недостатками этого известного устройства является следующее:

- узкий температурный диапазон работы модулятора вблизи Т_С, вследствие чего для модуляции излучения в заданном интервале температур необходим набор модуляторов, в котором каждый из рабочих элементов имеет свою Т_С и каждый из модуляторов должен иметь устройство для стабилизации температуры;

- необходимость термостабилизирующего устройства влечет за собой усложнение конструкции модулятора ИК-излучения и, следовательно, повышение затрат.

В основу изобретения положена задача расширения температурного диапазона работы модулятора ИК-излучения за счет обеспечения в этом температурном диапазоне высокого уровня магнитопропускания при упрощении конструкции модулятора и снижении энергозатрат.

Поставленная задача решается тем, что в модуляторе инфракрасного излучения, содержащем рабочий оптический элемент, выполненный из манганита А_1-xВ_хMnO₃, в котором трехвалентный редкоземельный металл А частично замещен одно- или двухвалентным металлом В со степенью замещения х, обладающего эффектом магнитопропускания, расположенный на прозрачной подложке из монокристалла и помещенный в источник управляющего магнитного поля, согласно изобретению рабочий оптический элемент выполнен из n-манганитных слоев, где n≥2, материал каждого из слоев имеет свое значение температуры Кюри, и разница между максимальным и минимальным ее значениями соответствует заданному температурному диапазону работы модулятора, при этом между каждыми двумя соседними слоями формируется переходный нанослой, температура Кюри которого находится в интервале между температурами Кюри соседних слоев, состав его является комбинацией химического состава материалов двух соседних слоев, а именно: (A₁, А₂)_1-хВ_хMnO₃, где A₁ - трехвалентный редкоземельный металл первого слоя, А₂ - второго слоя, а толщина нанослоя определяется параметрами процесса эпитаксии.

При этом

- в качестве А используют катионы металлов редкоземельного ряда La, Се, Pr, Nd, Sm, Eu или сочетания этих металлов, а в качестве В - катионы Na, К, Ag, Ca, Sr, Ва, Pb,

- в качестве манганитов используют Sm_0.55Sr_0.45MnO₃ и Nd_0.55Sr_0.45MnO₃,

- составом переходного нанослоя является (Nd, Sm)_0.55Sr_0.45MnO₃,

- толщина каждого n-го слоя составляет от 30 до 800 нм,

- толщина переходного нанослоя составляет от 2 до 25 нм,

- в качестве подложки из монокристалла LaAlO₃ или SrTiO₃.

Выполнение рабочего оптического элемента из n-слоев манганитов, где n≥2, каждый из которых имеет свое значение температуры Кюри, обеспечивает расширение температурного диапазона за счет перекрытия температурных зависимостей магнитопропускания слоев, которые имеют вид узких полос с максимумом вблизи Т_C каждого слоя.

Как было показано авторами предлагаемого изобретения, между двумя соседними слоями в интерфейсе возникает нанослой с температурой Кюри, промежуточной между температурами Кюри слоев, и величиной магнитопропускания, близкой к значениям магнитопропускания слоев. Состав и толщина переходного нанослоя определяются процессом эпитаксии. Наличие этого слоя, расположенного между двумя соседними слоями, материал которого является комбинацией материалов этих слоев и толщина которого составляет от 2 до 25 нм, температура Кюри которого является промежуточной между температурами Кюри соседних слоев, обеспечивает возникновение дополнительного максимума магнитопропускания вблизи температуры Кюри переходного нанослоя, что позволяет выровнять температурную зависимость магнитопропускания оптического рабочего элемента в промежутке между Т_С соседних слоев и тем самым расширяет температурный диапазон работы предлагаемого ИК-модулятора.

Манганит А_1-хВ_хMnO₃, в котором трехвалентный редкоземельный металл А частично замещен одно- или двухвалентным металлом В, выбирается исходя из того факта, что манганиты такого состава, как было показано авторами предлагаемой заявки, обладают значительной величиной магнитопропускания (Sukhorukov Yu.P., et al. J. Appl. Phys., 2002, Vol.91. №7, P.4403).

Толщина слоев в интервале от 30 до 800 нм объясняется следующим образом: выполнение слоя толщиной меньше 30 нм не обеспечивает его однородность и сплошность и, следовательно, его работоспосбность, а слои с толщиной более 800 нм не обеспечивают достаточную прозрачность рабочего элемента.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На фиг.1 представлено схематическое изображение модулятора ИК-излучения с источником управляющего магнитного поля, направленного вдоль направления распространения света и перпендикулярно освещаемой поверхности;

на фиг.2 - то же, но с управляющим магнитным полем, направленным перпендикулярно направлению распространения света и вдоль освещаемой поверхности рабочего оптического элемента;

на фиг.3 - температурные зависимости магнитопропускания двухслойной структуры Sm_0.55Sr_0.45MnO₃ - Nd_0.55Sr_0.45MnO₃ (кривая 4) и слоев структуры: кривая 1 - Sm_0.55Sr_0.45MnO₃, кривая 2 - Nd_0.55Sr_0.45MnO₃, кривая 3 - переходный нанослой (Nd_0.25Sm_0.75)_0.55Sr_0.45MnO₃;

на фиг.4 - спектр магнитопропускания двухслойной структуры Sm_0.55Sr_0.45MnO₃ - Nd_0.55Sr_0.45MnO₃ в магнитном поле 8 кЭ при Т=250 К.

Модулятор ИК-излучения содержит рабочий оптический элемент, состоящий из n-слоев манганита, расположенных на подложке из монокристалла LaAlO₃ или SrTiO₃. На фигурах 1 и 2 приведен пример конструкции модулятора с рабочим оптическим элементом, состоящим из двух слоев, n=2. На подложке 1 расположен слой 2 - Sm_0.55Sr_0.45MnO₃ и слой 3 - Nd_0.55Sr_0.45MnO₃, толщина каждого из которых составляет ˜300 нм. Между слоями 2 и 3 расположен переходный нанослой 4 толщиной ˜10 нм и по составу близкий к (Nd_0.25Sm_0.75)_0.55Sr_0.45MnO₃. Рабочий оптический элемент помещен в катушку 5 переменного магнитного поля. Температура Кюри слоя 2 составляет Т_с2=100 К, слоя 3Т_С3=260 К. Температура Кюри переходного нанослоя 4 является промежуточной между температурами Кюри слоев 2 и 3 и составляет T_C4˜170 К. Температурная зависимость магнитопропускания структуры из двух слоев и переходного нанослоя 4 (фиг.3) формируется тремя кривыми (1, 2 и 3) с максимумами величины магнитопропускания при Т_С2, Т_C3 и Т_С4, огибающая которых дает слабо зависящее от температуры магнитопропускание. Рабочий температурный диапазон такого модулятора простирается от 100 до 265 К. Подбором состава слоев температурный диапазон работы модулятора может быть изменен. Предлагаемое устройство, так же как устройство из одного слоя манганита, работает в ИК-диапазоне спектра. Например, как видно из фиг.4, магнитопропускание элемента из двух слоев Sm_0.55Sr_0.45MnO₃-Nd_0.55Sr_0.45MnO₃ достигает наибольших величин в диапазоне от 2 до 8 мкм (ИК-диапазон спектра).

Рабочий оптический элемент модулятора, предназначенного для работы в температурном диапазоне от 120 до 265 К может быть также выполнен из двух слоев манганита (La_1-хPr_х)_0.7Са_0.3MnO₃, в котором А является сочетанием La и Pr со степенью замещения х, меняющейся от 0 до 0.75, с Т_C, меняющейся в зависимости от величины х, и с практически одинаковой величиной магнитопропускания ˜25% вблизи Т_С в интервале значений 0≤х≤0.75 в магнитном поле 8 кЭ.

Рабочий элемент модулятора, работающего в температурном диапазоне от 0°С до 90°С, включающем комнатную температуру, может быть создан, например, из трех слоев манганитов: La_0.67Са_0.33MnO₃ с Т_С˜0°С, La_0.67Sr_0.33MnO₃ с Т_С˜80-90°С и La_0.8Ag_0,1Mn_3+δ с Т_С˜35-40°С.

Устройство работает следующим образом. При пропускании переменного электрического тока с частотой ω через катушку 5 индуцируется переменное магнитное поле. Магнитное поле прикладывается перпендикулярно или параллельно или под углом относительно освещаемой поверхности рабочего оптического элемента, состоящего из подложки 1, слоев манганита 2, 3 и переходного нанослоя 4. Магнитное поле приводит к изменению соотношения ферромагнитной металлической непрозрачной и неферромагнитной прозрачной фаз в слоях манганита 2, 3 и переходном нанослое 4, что вызывает, вследствие эффекта магнитопропускания, изменение интенсивности прошедшего излучения на выходе рабочего элемента. Поскольку магнитопропускание является четным эффектом частота изменения интенсивности прошедшего излучения равна удвоенной частоте 2 ω магнитного поля катушки. Таким образом происходит модуляция интенсивности падающего излучения. Амплитуда интенсивности света на выходе модулятора пропорциональна величине приложенного магнитного поля. Температурный диапазон работы модулятора определяется температурами Кюри слоев Т_С2 и Т_C3, поскольку в этом диапазоне величина магнитопропускания с учетом вклада переходного нанослоя 4 слабо меняется от температуры.

Проведенные лабораторные испытания предлагаемого устройства подтвердили его работоспособность и достижение технического результата - расширения температурного диапазона работы модулятора ИК-излучения.

Предлагаемое устройство, благодаря своим новым признакам, обеспечивает следующие преимущества.

1. Расширение температурной области работы модулятора ПК-излучения.

2. Упрощение конструкции модулятора и повышение надежности его работы за счет исключения термостабилизирующего устройства.

3. Снижение электропотребления за счет исключения электропитания термостабилизирующего устройства.

Изобретение относится к оптоэлектронике. Модулятор содержит рабочий оптический элемент, выполненный из расположенных на подложке n-слоев (n≥2) манганита, обладающего эффектом магнитопропускания, А_1-хВ_хMnO₃, в котором трехвалентный редкоземельный металл А частично замещен одно- или двухвалентным металлом В со степенью замещения х. Материал каждого слоя имеет свое значение температуры Кюри и разница между максимальным и минимальным ее значением соответствует температурному диапазону работы модулятора. Между двумя соседними слоями расположен переходный нанослой с температурой Кюри, промежуточной между температурами Кюри слоев, и величиной магнитопропускания, близкой к значению магнитопропускания слоев. Состав и толщина переходного нанослоя определяется процессом эпитаксии. Технический результат - расширение температурного диапазона работы модулятора без устройства термостабилизации и без источника питания устройства термостабилизации. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Модулятор инфракрасного излучения, содержащий рабочий оптический элемент, выполненный из манганита A_1-xB_xMnO₃, в котором трехвалентный редкоземельный металл А частично замещен одно- или двухвалентным металлом В со степенью замещения х, обладающего эффектом магнитопропускания, расположенный на прозрачной подложке из монокристалла и помещенный в источник управляющего магнитного поля, отличающийся тем, что рабочий оптический элемент выполнен из n - слоев, где n≥2, материал каждого из слоев имеет свое значение температуры Кюри, и разница между максимальным и минимальным ее значениями соответствует температурному диапазону работы модулятора, при этом между каждыми двумя соседними слоями расположен переходный нанослой, состав которого является комбинацией двух соседних слоев.2. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что - в качестве А используют элементы редкоземельного ряда La, Се, Pr, Nd, Sm, Eu, а в качестве В - Na, К, Ag, Ca, Sr, Ba.3. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что в качестве манганитов используют Sm_0.55Sr_0.45MnO₃ и Nd_0.55Sr_0.45MnO₃.4. Модулятор по п.1 или 3, отличающийся тем, что составом переходного нанослоя является (Nd_0.25Sm_0.75)_0.55Sr_0.45MnO₃.5. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что толщина каждого n-слоя составляет от 30 до 800 нм.6. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что толщина переходного нанослоя составляет от 2 до 25 нм.