Дефлектор ИК-излучения Советский патент 1986 года по МПК G02F1/29 

f1 Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно к дефлекторам ИК-излучения, и может быть использовано в системах оптической связи, оптической локации-, в оптических вычислительных устройствах, в научных исследованиях. Целью изобретения является увеличение скорости срабатывания при обеспечении максимально возможного угла сканирования. На чертеже показана схема предложенного дефлектора ИК-излучения. Дефлектор содержит источник 1 излучения, пластину 2 полупроводника размещенную между полюсами, магнита 3, имеющую контакты 4, подключенные к источнику 5 управляющего напря жения. Излучение 6, прошедшее пласти ну 2, собирается линзой 7. Грани пла стины 2, на которые нанесены контак:ты, являются зеркалами интерферометра. Устройство работает следующим образом. Излучение источника, посылаемое на пластину 2, многократно отражаясь между его зеркалами, образует систему пучков, создающих в фокальной плоскости линзы 7 интерференционную картину - последовательность светлых и темных полос. Контраст полос зависит от коэффициентов отражения зерка .интерферометра и растет с увеличением R, Количество же полос в фокальной полоскости зависит от угла /3 между зеркалами, другими словами, от параллельности широких граней пласти ны. Обычно угол р выбирают таким, чтобы в поле зрения оставалась одна светлая полоса - этот вариант наиболее подходит для практических целей, так как позволяет с помощью рассматриваемого устройства получить максимальный угол сканирования. Необходимый для этого угол легко рассчитать, если учесть, что в фокальной плоское ти линзы должны сойтись пучки, отличающиеся по фазе на IT или дающие мак симумы в интерференционной картине, отличающиеся по порядку интерференции на единицу г 2/d + pD/ncosr /m+l/A 2dncosr m . , где d - пластины интереферометра, n - показатель пpeлoIvшeния пластины, m - порядок интерференции D - апертура, г - угол падения пуч32ка на интерферометр, выбираемый так, чтобы выходящие пучки не перекрывались. Откуда искомьй угол / Я / /2Dncosr (1). Для того, чтобы осуществить сканирование светлой полосы, изменяется показатель преломления пластины 2. Показатель преломления полупрсводника зависит от концентрации свободных носителей тока, последняя с помощью скрещенных полей (магнитоконцентрационный эффект) модулируется в широких пределах, а значит, модулируется и показатель преломления. Для этого полупроводниковая пластина 2 с собственной проводимостью, толщина которой сравнима с диффузионной длиной носителей заряда, помещена в магнитное поле. Если при этом широкие грани ее характеризуются различными скоростями поверхностей рекомбинации и параллельны силовым линиям магнитного поля, то прилагая посредством электрических контактов к торцам пластины 2 поле Е, получаем модуляцию п. Это происходит по той причине, что под действием силы Лоренца электронно-дырочные пары увлекаются к одной из широких граней, например к грани с большой скоростью поверхностной рекомбинации, где они интенсивно рекомбинируют, и общее число носителей в кристалле падает. Направление выноса носителей зависит от направления полей Е и Н. Степень уменьшения концентрации носителей (или истощение кристалла) пропорциональна произведению Е«Н и асимметрии скоростей поверхностной рекомбинации. Действительно, чем больше ЕжН, тем больше сила Лоренца, воздействующая на носители, с другой стороны, чем меньше скорость поверхностной рекомбинации на грани, являющаяся генератором электронно-дырочных пар, с которой они увлекаются к противоположной, как это происходит в данном случае, и чем вьше скорость рекомбинации этой противоположной грани, где они рекомбинируют, тем больше истощение кристалла. Максимальное изменение показателя преломления дп будет наблюдаться при истощении кристалла от равновесной концентрации носителей, определяемой температурой полупроводника до концентрации порядка 10 см, дальнейшее уменьшение ее, например до 10 , 3 10 см, практически не влияет на дп. Для получения максимального угла сканирования, определяемого как /S, необходимо настолько изменить п, чтобы разность фаз в пучках отличалась на 7 (здесь S - расстояние между центрами соседних пучков) При дальнейшем изменении п, а вместе с ним и фазы, угол сканирования в данном устройстве увеличиваться не будет, так как при этом в фокаль ной плоскости линзы будет появляться вторая светлая полоса, соответст вующая ближайшему порядку интерференции, повторяющая, цикл сканирования в пределах угла от О до /S. Поэтому в дальнейшем под нужным или требуемым изменением п подразумевается его изменение, приводящее к сдвигу фазы в пучках света на ir. Добиться требуемого изменения п удалось следующим образом. Использован контролируемый нагрев кристал ла, повышающий исходную равновесную концентрацию носителей, осуществляемый источником постоянного напряже ния . Достичь последующего истощения используя при этом ненамагничивающее поле Н и небольшое поле Е, т.е поле, не приводящее к ударной ионизации, удалось путем воздействия на процессы генерации-рекомбинации носителей на гранях кристалла. С этой целью вакуумным напылением на поверхность пластины, обладающую малой скоростью поверхностей рекомб нации, нанесен слой-идентичного пол проводника, но обладающего примесно проводимостью. В этом случае происходит выравнивание уровней Ферми в собственном и примесном полупроводниках при контакте их друг с другом Получающийся таким образом изгиб зон в собственном полупроводнике служит своеобразным барьером для ре комбинации электронно-дырочных пар, что эквивалентно понижению скорости поверхностной рекомбинации на границе контакта собственного и примесного полупроводников. Дпя того чтобы примесный слой воз действовал на формирование изгиба зон,.необходимо, чтобы его толщина была больше или равна дебаевскому радиусу экранирования L. С другой стороны, излучение, распространяющее 634 ся между зеркалами интерферометра, дрлжно как можно меньше поглощаться примесньм слоем. Это выполняется при соблюдении неравенства я /4Тп. Пример. Для ре изации изобретения использовалась пластина из InSb с концентрацией примесей порядка 10 . Размеры пластины ,1 пмз, к торцам, размеры которых ,1 мм, индием припаивались контакты. Угол /3 между широкими гранями рассчитывался по формуле (1), в процессе изготовления интерферометра контролировало. усовершенствованным гониометром Г-5 и составлял величину 5-б, Одна из широких граней, для получения на ней малой скорости поверхностной рекомбинации, обрабатывалась травителем СР-4. Затем на эту поверхность путем напыления в вакууме наносился слой примесного InSb с концентрацией 10 см и толщиной 0,05-0,1 мкм. Одна из характеристик дефлектора - число разрешимых углов сканирования зависит в данном устройстве от коэффициента отражения R зеркал интерферометра М ii/l-R . Поскольку для InSb R 36%, т.е. коэффициент отражения довольно нйзкий, были предприняты меры для увеличения R, а именно: на каждую широкую грань наносились слои ZnS и Ge А /4, в результате чего R возрос примерно до 90%. Пластина 2 помещалась в постоянное магнитное поле напряженностью 5 кэ. Нагрев кристалла и управление его показателем преломления осуще-г ствлялось источником напряжения, представляющим собой последовательно соединенные импульсный генератор и источник постоянного напряжения, обеспечивающим генерирование импульсов с постоянным пьедесталом. Постоянная составляющая напряжения В, что обеспечивало нагрев кристалла до 320 К и увеличивало концентрацию носителей в нем до 3,1 х X 10 см. Посредством отрицательного импульса (Е 40 В/см) осуществлялось истощение примерно до 1-1 - Ч уровня 10 см . Соответствующие изменения показателя преломления в таких условиях исследовались путем интерференционной модуляции пропускания на длине волны 10,57 мкм. Для испытания дефлектора применялся COg-лазер с конденсорной систе-

мой, позволяющей получить пучок излучения диаметром 50 мкм. Излучение посылалось на интерферометр под углом 30 . В качестве собирательной линзы использовались линза из ZnS с фокусным расстоянием 5 см. Излучение фиксировалось быстродействующим приемником из

1651636

CdHgTe. Быстродействие дефлектора фиксировалось по задержке между управляющим электрическим импульсом и фотоответом приемника. В таких условиях удалось получить сканирование излучения в пределах угла 11 с временем срабатьшания

4 Г

10 с.

// , //

// i II//

2 Ч

ДЕФЛЕКТОР ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий интерферометр Фабри-Перо, импульсный источник управляющего электрического напряжения и собирательную линзу, установленную по ходу луча за интерферометром, о тличающийся тем, что, с целью увеличения скорости срабатывания при обеспечении максимально возможного угла сканирования, введены источник магнитного поля и источник постоянного напряжения, последовательно соединенный с импульсным, расположенные таким образом, что вектора напряженностей образуемых ими полей скрещены, при этом источники постоянного и импульсного напряжений образуют схему управления, между зеркалами интерферометра размещена пластина полупроводника с собственной .проводимостью, толщина которой соизмерима с диффузионной длиной носителей заряда полупроводника, а входная и выходная поверхности имеют различные скорости поверхностей рекомбинации и ориентированы в плоскости скрещенных векторов напряженностей электg рического и магнитного полей, пластина снабжена контактами, расположенными на любых двух из оставшихся противоположных поверхностях, посредством которых она соединена со схемой управления, причем на поверхность пластины, обладающую меньшей скоростью поверхностей рекомбинации, нанесен слой из идентичного 9д полупроводника, обладающего примесСП ной проводимостью, толщина которого удовлетворяет условию L, Е s /41iii Од где А - длина волны излучения, П СО показатель преломления слоя, Lg радиус экранирования материала слоя.