Способ генерации терагерцовых импульсов на основе термоупругого эффекта Российский патент 2018 года по МПК G02F1/00 

Описание патента на изобретение RU2664967C1

Предлагаемое изобретение относится к неразрушающим методам исследования твердых материалов и может быть использовано при диагностике структуры различных твердых материалов.

Известен способ возбуждения когерентного электромагнитного излучения в диапазоне частот 1-100 ТГц в кристаллических материалах при воздействии ударной волны или распространяющегося возбуждения в виде солитона. Согласно данному способу терагерцовое электромагнитное излучение генерируется в результате синхронного движения большого чисел атомов при распространении ударной волны через кристалл. Частоты излучения определяются скоростью удара и постоянными решетки кристалла и могут потенциально использоваться для определения атомно-масштабных свойств материала (Статья «Coherent Optical Photons from Shock Waves in Crystals», Evan J. Reed, Marin Soljacic, Richard Gee, and J. D. Joannopoulos, Phys. Rev. Lett. 96, 013904 - Published 11 January 2006.)

Данный способ позволяет создавать мощные импульсы с высокой проникающей способностью и эффективно исследовать практически любые типы твердых материалов. Это техническое решение авторы рассматривают в качестве аналога.

Основными недостатками данного способа являются трудность создания высоких скоростей удара и частичное разрушение поверхностного слоя материала при мощном импульсном воздействии.

Известен также «МЕТОД ГЕНЕРАЦИИ ТГЦ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ И ВОСПРИЯТИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ВОЛН БОЛЬШОЙ АМПЛИТУДЫ В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ» (Патент US 20090173159 А1, Pub. No.: US 2009/0173159 Al, Jul. 9, 2009).

Данный способ включает получение колебания деформации в первом материале, который находится в контакте со вторым пьезоэлектрическим гетерогенным материалом, в котором колебания деформации преобразуются в терагерцовое электромагнитное излучение. При этом получение колебаний деформации в первом материале включает в себя формирование ударной волны, при котором происходит частичное испарение части материала, контактирующего с лазерным излучением. В качестве материала, контактирующего с лазерным излучением, используется алюминий.

Вышеназванный способ позволяет создавать более мощные импульсы с меньшими затратами энергии. Это техническое решение авторы рассматривают в качестве прототипа.

Недостатками указанного технического решения является то, что при образовании ударной волны излучатель претерпевает пластические деформации, что приводит к нарушению его геометрии. Кроме этого, выбор в качестве генераторной среды алюминия приводит к уменьшению частотного диапазона сигналов вследствие его высокой теплопроводности. К тому же в измерительном приборе появляются ударные нагрузки, что ведет к нелинейному искажению сигнала.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в стабильной генерации терагерцовых электромагнитных импульсов на основе линейного термоупругого эффекта при отсутствии фазовых переходов облучаемого вещества и, как следствие, повышении четкости изображения при использовании данных импульсов для диагностики структуры и свойств твердых материалов. Кроме того, технический результат предлагаемого решения состоит в повышении долговечности излучателя за счет отсутствия испарения части облучаемого материала.

Технический результат достигается за счет получения акустических колебаний путем воздействия лазерным импульсом на пару материалов, один из которых, подвергаемый воздействию лазерного излучения, представляет собой пленку из металлического сплава, а второй материал является подложкой, служащей для преобразования получаемых ультразвуковых импульсов в терагерцовое электромагнитное излучение, толщину металлической пленки выбирают таким образом, чтобы поглощение лазерного излучения полностью происходило в ее приповерхностной зоне, а мощность и длительность лазерного импульса рассчитывают, исходя из недопущения испарения облучаемого вещества и образования в нем фазовых переходов.

Кроме того, согласно предлагаемому способу при создании излучателя терагерцового излучения в качестве подложки используют ниобат лития, а в качестве материала, подвергаемого воздействию лазера, используют никель или хром. Причем толщина металлической пленки не превышает 100 нм, а шероховатость поверхности, на которую она наносится, не выше чем λ/30.

Реализация предлагаемого способа показана на Фиг. 1 и Фиг. 2. Излучение 1 от работающего в импульсно-периодическом режиме лазера (на Фиг. 1 и Фиг. 2. не показан) поступает на пленку из металлического сплава 2, покрывающую подложку 3. При воздействии лазерного излучения 1 в пленке 2 происходит расширение нагретой области. Состав пленки, мощность и время воздействия излучения подбираются таким образом, что фазового перехода материала пленки 2 не происходит.

Последующее расширение нагретой области металлической пленки 2 за счет линейного термоупругого эффекта приводит к генерации мощного короткого ультразвукового импульса 4. Данный импульс 4 распространяется в подложку 3, например, из ниобата лития, где за счет пьезоэффекта возникает широкополосный импульс электромагнитной волны 5.

Форма подложки 3 может иметь два варианта, отличающиеся направлением распространения электромагнитного импульса 6. В первом случае (Фиг. 1) сформированный электромагнитный импульс распространяется в том же направлении, что и ультразвуковой импульс 4. Во втором случае (Фиг. 2) электромагнитный импульс 5 отклоняется от направления образования ультразукового импульса 4 на 90°. В обоих случаях граница раздела 7 пленки 2 и подложки 3 имеют одни и те же характеристики, определяемые степенью шероховатости поверхности подложки 3.

Данный тип волн проникает на большую глубину и позволяет исследовать структуры различных типов объектов. В случае, показанном на Фиг. 1, объект исследования 8 помещают между излучателем 9 и приемником 10, представляющим собой специальный терагерцовый спектрометр. В случае, показанном на Фиг. 2, излучатель 9 перемещают по поверхности исследуемого объекта 8.

Глубина проникновения света имеет порядок La-1=10 нм, излучение лазера полностью поглощается на расстоянии 3La=30 нм. Длина диффузии тепла за время лазерного воздействия варьируется от 5 нм для никеля до 20 нм для серебра. Это означает, что за время действия лазерного импульса равномерно прогревается металлическая пленка толщиной не более 20 нм. Пространственная протяженность акустического импульса LA0 τ0 лежит в диапазоне от 8 нм до 15 нм.

Таким образом шероховатость поверхности подложки не должна быть хуже λ/30, где λ - длина волны используемого лазерного излучения, а напыляемая пленка металла не должна превышать 60-100 нм. При энергии в импульсе порядка 100 мкДж и его длительности 1-3 пс с учетом того, что коэффициент отражения от поверхности металла может достигать 90%, поверхностная плотность поглощенной энергии имеет порядок w0=0,5 Дж/м2 при ширине оптического пучка, а=2 мм.

В этом случае реализуется термоупругий режим воздействия, при котором поглощение оптического пучка происходит в приповерхностной зоне материала и отсутствуют фазовые переходы вещества. Исходя из этого толщина подложки будет оптимальной в диапазоне от 1-го до 3-х мм и ее точное значение может быть установлено опытным путем.

Основные параметры металлов, которые могут быть использованы в качестве оптико-акустических генераторов приведены в таблице 1. Где λ - коэффициент теплопроводности, χ=λ/(ρ0СР) - коэффициент диффузии тепла, Tm - температура плавления.

Известно, что амплитуда напряженности электрического поля определяется выражением E0=dp00, где Е0 - пьезомодуль, а e0 - электрическая постоянная. Для ниобата лития d=6⋅10-12Кл ~ /H - а ε0=8,85⋅10-12Кл/м⋅В. Оценочные значения р0, Е0 и приращение температуры ΔТ при поглощении лазерного импульса в металлической пленке приведены в таблице 2.

Из приведенных данных видно, что использование алюминия в качестве генераторной среды неэффективно, поскольку температура его плавления существенно ниже, а коэффициент теплопроводности выше, чем у никеля или хрома. Использование пары никель / ниобат лития или хром / ниобат лития при соблюдении геометрических размеров элементов излучателя и качества поверхности подложки на границе раздела подложки и покрывающей ее металлической пленки позволяет получить электромагнитный импульс в частотном диапазоном от 0,1 ТГц до 2,5 ТГц и напряженностью электрического поля порядка 107 В/м без фазового перехода части металлической пленки и ее испарения.

Таким образом все признаки, характеризующие предлагаемый способ, необходимы и достаточны для его осуществления и достижения заявляемого технического результата.

Похожие патенты RU2664967C1

название год авторы номер документа
Способ генерации узкополосного терагерцового излучения (варианты) 2017
  • Бакунов Михаил Иванович
  • Машкович Евгений Александрович
RU2655469C1
ИСТОЧНИК ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 2016
  • Молдосанов Камиль Абдикеримович
  • Постников Андрей Викторович
RU2622093C9
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТЕКТОРОВ ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА 2014
  • Чесноков Владимир Владимирович
  • Чесноков Дмитрий Владимирович
  • Кочкарев Денис Вячеславович
  • Кузнецов Максим Викторович
RU2545497C1
Импульсный терагерцовый спектрометр с полупроводниковым генератором на эффекте модуляции приповерхностного поля 2022
  • Шевченко Олеся Николаевна
  • Николаев Назар Александрович
  • Терещенко Олег Евгеньевич
RU2789628C1
КОНВЕРТЕР ТЕРАГЕРЦОВЫХ ВИБРАЦИЙ В ТЕРАГЕРЦОВОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ 2017
  • Молдосанов Камиль Абдикеримович
  • Постников Андрей Викторович
RU2650343C1
ФЕМТОСЕКУНДНЫЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯ ТГЦ ИМПУЛЬСОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ С ПОМОЩЬЮ УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ 2018
  • Есаулков Михаил Николаевич
  • Конященко Александр Викторович
  • Курицын Илья Игоревич
  • Маврицкий Алексей Олегович
  • Таусенев Антон Владимирович
RU2697879C1
Устройство визуализации инфракрасного и терагерцового излучений 2016
  • Олейник Анатолий Семенович
  • Медведев Михаил Александрович
RU2638381C1
УСТРОЙСТВО ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИНФРАКРАСНОГО И МИЛЛИМЕТРОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 2018
  • Олейник Анатолий Семенович
  • Медведев Михаил Александрович
  • Еремин Валерий Павлович
  • Коплевацкий Наум Абрамович
  • Мещанов Валерий Петрович
RU2687992C1
ТЕРАГЕРЦОВЫЙ СУБВОЛНОВЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ МИКРОСКОП 2021
  • Андрианов Александр Васильевич
  • Захарьин Алексей Олегович
RU2767156C1
СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2009
  • Китаева Галия Хасановна
  • Пенин Александр Николаевич
  • Тучак Антон Николаевич
  • Якунин Павел Владимирович
RU2448399C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 664 967 C1

Реферат патента 2018 года Способ генерации терагерцовых импульсов на основе термоупругого эффекта

Использование: для генерации терагерцовых импульсов на основе термоупругого эффекта. Сущность изобретения заключается в том, что получают акустические колебания путем воздействия лазерным импульсом на пару металлов, один из которых, подвергаемый воздействию лазерного излучения, представляет собой пленку из металлического сплава, а второй материал является подложкой, служащей для преобразования получаемых ультразвуковых импульсов в электромагнитное излучение, при этом толщину металлической пленки выбирают из условия, что поглощение лазерного излучения полностью происходило в ее приповерхностной зоне, а мощность и длительность лазерного импульса рассчитывают исходя из недопущения испарения облучаемого вещества и образования в нем фазовых переходов. Технический результат: обеспечение возможности стабильной генерации терагерцовых электромагнитных импульсов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Формула изобретения RU 2 664 967 C1

1. Способ генерации терагерцовых импульсов на основе термоупругого эффекта, включающий получение акустических колебаний путем воздействия лазерным импульсом на пару металлов, один из которых, подвергаемый воздействию лазерного излучения, представляет собой пленку из металлического сплава, а второй материал является подложкой, служащей для преобразования получаемых ультразвуковых импульсов в электромагнитное излучение, отличающийся тем, что толщину металлической пленки выбирают из условия, что поглощение лазерного излучения полностью происходило в ее приповерхностной зоне, а мощность и длительность лазерного импульса рассчитывают исходя из недопущения испарения облучаемого вещества и образования в нем фазовых переходов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при создании пары материалов для подложки используют ниобат лития, а в качестве материала, подвергаемого воздействию лазера, используют никель или хром, который наносится на данную подложку, контактирующую с объектом, в виде металлической пленки, причем шероховатость поверхности, на которую наносится металлическая пленка, не выше чем λ/30, а толщина металлической пленки не превышает 100 нм.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2018 года RU2664967C1

US 20090173159 A1, 09.07.2009
ОПТИКО-ТЕРАГЕРЦОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ 2013
  • Бакунов Михаил Иванович
  • Михайловский Ростислав Викторович
  • Царев Максим Владимирович
RU2522798C1
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 2012
  • Потатуркин Олег Иосифович
  • Николаев Назар Александрович
  • Мамрашев Александр Анатольевич
  • Анцыгин Валерий Дмитриевич
  • Корольков Виктор Павлович
  • Конченко Александр Сергеевич
RU2523746C1
СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ТЕРАГЕРЦОВОМ ДИАПАЗОНЕ 2013
  • Образцов Петр Александрович
  • Чижов Павел Алексеевич
  • Гарнов Сергей Владимирович
RU2539678C2
CN 102244334 A, 16.11.2011
US 6723991 B1, 20.04.2004.

RU 2 664 967 C1

Авторы

Карабутов Александр Алексеевич

Черепецкая Елена Борисовна

Зарубин Василий Павлович

Бычков Антон Сергеевич

Шибаев Иван Александрович

Морозов Дмитрий Валентинович

Сизиков Максим Владимирович

Тухель Екатерина Андреевна

Даты

2018-08-24Публикация

2017-12-27Подача