CC BY
192
ТЕПЛОВЫЕ СПОСОБЫ РЕГИСТРАЦИИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Андрей Георгиевич Паулиш
Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», 630090, г. Новосибирск, проспект акад. Лаврентьева, 2/1, кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник отдела тепловидения и телевидения, тел. (383) 316-59-10, e-mail: [email protected]
В работе рассмотрена схема регистрации терагерцового излучения на основе конвертера ТГц излучения в ИК с последующей регистрацией ИК излучения болометрической ИК камерой. Конвертер представляет собой ультратонкий резонансный поглотитель ТГц излучения (метаматериал) на обратную сторону которого нанесен эмиссионный слой. Поглотитель на основе метаматериалов позволяет создавать неохлаждаемые детекторы ТГц излучения с пространственным, спектральным и поляризационным разрешением, работающие в режиме реального времени.
Ключевые слова: детекторы терагерцового излучения, терагерцовое изображение, метаматериалы, многоспектральное видение, приборы субмиллиметрового диапазона, ультратонкие резонансные поглотители.
THERMAL METHODS FOR TERAHERTZ RADIATION DETECTION BASED ON METAMATERIALS
Andrey G. Paulish
Novosibirsk Branch of the Institute of Semiconductor Physics, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, «Technological Design Institute of Applied Microelectronics» (NB ISP SB RAS «TDIAM») 2/1, Lavrentiev avenue, Novosibirsk, 630090, Dr., associate professor, senior researcher, Department of thermal imaging and television, tel. (383) 316-59-10, e-mail: [email protected]
The scheme of the terahertz radiation detection utilizing the THz-to-IR conversion followed by the IR detection by means of high sensitive IR camera is proposed. The THz-to-IR converter is represented as an ultra-thin metamaterial absorber with polarization-selective resonant absorption at the prescribed wavelength. The metamaterial absorber with a configuration, «metasurface + grounded dielectric slab», provided unique possibility to design the pixels with different spectral and polarization sensitivity, using a single dielectric slab. The backside of the structure was covered with a high-performance infrared emissive layer. Absorption of terahertz radiation led to heating of the structure and increasing IR emission in the emissive layer, which was henceforth detected by the IR camera. The matrix structure consisted of cells with different spectral and polarization sensitivity, which provided multispectral terahertz imaging with polarization discrimination in a real time regime.
Key words: terahertz radiation detection systems, terahertz imaging, metamaterials, multispectral imaging, submillimeter wave devices, ultra-thin resonant absorber.
До недавнего времени терагерцовая область электромагнитного излучения (0.1-10 ТГц, длина волн 0.03-3 мм) была наименее освоенной в основном из-за отсутствия как природных (за исключением космических), так и искусственных
источников данного излучения. Однако в последнее десятилетие наблюдается бурный рост технологий создания источников терагерцового излучения, в том числе большой мощности, таких как лазер на свободных электронах в Новосибирском Академгородке. Развитие источников терагерцового излучения требует адекватного развития приёмников данного излучения для построения квазиоптических систем различного назначения, включая системы терагерцового видения. При создании матричных терагерцовых приемников можно выделить две основные проблемы. Первая связана с малой энергией фотона (0,04-0,4 мэВ), что при использовании фотонных приёмников требует глубокого охлаждения до гелиевых температур [1-3]. Вторая ключевая проблема заключается в достаточно большой длине волны излучения, что требует создания матриц большого размера с соответствующей системой считывания. Современные неохлаждаемые болометрические и пироэлектрические
матричные структуры хотя и обладают некоторой чувствительностью в терагерцовой области [4, 5], однако размер пикселя матрицы не превышает 50^50 мкм , а размер всей матрицы около 20 мм, что совершенно не достаточно для получения качественного изображения с длиной волны порядка 1 мм.
В данной работе предложен метод получения изображения в терагерцовой области излучения с использованием конвертера терагерцового излучения в инфракрасное излучение [6]. ТГц-ИК конвертер представляет собой
ультратонкий резонансный поглотитель терагерцового излучения толщиной много меньше рабочей длины волны [7], на обратную сторону которого нанесен тонкий эмиссионный слоя с коэффициентом черноты близким к единице. Малые толщины поглотителя и эмиссионного слоя необходимы для
минимизации теплоёмкости конвертера и обеспечения высокой
чувствительности и быстродействия детектора. Поглощение ТГц-излучения приводит к нагреву поглотителя и увеличению интенсивности ИК излучения со стороны эмиссионного слоя, которое регистрируется высокочувствительной ИК камерой.
Ультратонкий поглотитель (в современной литературе он называется метаматериалом) представляет собой металлизированный с двух сторон диэлектрический слой толщиной много меньше рабочей длины волны. С одной стороны слоя методом контактной фотолитографии сформирован геометрический рисунок, представляющий собой частотно-избирательную поверхность (ЧИП), обеспечивающую близкое к единице поглощение на заданной длине волны [8]. Схема ТГц-ИК конвертера и его спектральные характеристики для разных ориентаций поляризации падающего излучения показаны на рис. 1.
В качестве диэлектрика использовалась плёнка полипропилена толщиной 20 микрон, толщина алюминиевой металлизации 0.4 микрона, толщина эмиссионного слоя около 10 микрон. Термодинамические расчёты показали, что эффективность преобразования ТГц излучения в ИК составляет более 30% и эта величина может быть увеличена дальнейшим снижением толщины поглотителя и эмиссионного слоя.
а) б) в)
Рис. 1. (а) - схема ТГц-ИК конвертера. ЧИП - частотно избирательная поверхность, 1111 - полипропилен, А1 - алюминий; (б) - топологический рисунок ЧИП; (в) - спектральная характеристика поглотителя
На рис. 2 слева показана схема получения терагерцового изображения с помощью ТГц-ИК конвертера. В качестве источника терагерцового излучения использовалась лампа обратной волны (BWO) с перестраиваемой частотой в диапазоне 0.1-1.5 ТГц и выходной мощностью 3-5 мВт. Для уменьшения потерь за счет теплопроводности воздуха конвертер помещался в вакуумную камеру, снабженную входным окном для ввода терагерцового излучения и выходным окном для вывода инфракрасного излучения. На рис. 2 справа показано изображение миры 15*3 мм, освещенной ТГц излучением частотой 0.20 ТГц, имеющим гауссово распределение с шириной на полувысоте около 16 мм.
vacuum chamber
Рис. 2. Схема получения терагерцового изображения с помощью ТГц-ИК конвертера и инфракрасной камеры (слева); изображение миры 15x3 мм, освещенной ТГц излучением частотой 0.20 ТГц
Существенным преимуществом такого схемотехнического решения является то, что детектор не имеет ограничений на общий размер матрицы, так как считывание информации с матрицы происходит оптическим методом. Это существенно для визуализации излучения с длиной волны порядка одного
миллиметра, где общий размер преобразователя должен быть достаточно большим (много больше рабочей длины волны). Например, для излучения с длиной волны 1 мм, сочетающим достаточно высокую проникающую способность и приемлемое пространственное разрешение, размер матрицы должен составлять более 50 мм.
Другим преимуществом ТГц-ИК конвертера является возможность на одной плёнке изготвливать фрагменты ЧИП (пиксели) с различной спектральной и поляризационной чувствительностью. Это позволяет создавать, в зависимости от задач, целую линейку детекторов, таких как многоспектральный визуализатор (рис. 3).
Рис. 3. Схема многоспектрального поглотителя для матричной структуры конвертера. ЧИП - частотно-избирательная поверхность, 1111 - полипропилен, АЬ - металлический слой алюминия, Резонансные частоты каждого пикселя указаны на рисунке в терагерцах, Цифрами указаны размер пикселя и период в
миллиметрах
Предельным многоспектральным детектором является спектрофотометр, в котором каждый пиксель настроен на свою длину волны. Таким образом, появляется возможность в реальном времени анализировать спектральный состав терагерцового излучения.
Другим применением конвертера является создание многоспектрального поляриметра для определения эллипса поляризации падающего излучения на заданных длинах волн. В этом случае матрица состоит из трёх пикселей, имеющих одинаковую спектральную чувствительность, повёрнутых относительно друг друга на 45 градусов в плоскости конвертера (Рис.4 справа). В случае падения на пиксели излучения с произвольным эллипсом поляризации, измеряя интенсивности сигналов с каждого из трех пикселей 11, 12, 13, можно с помощью не очень сложных формул определить исходный эллипс поляризации. Таких групп пикселей можно расположить несколько на одной структуре с разной спектральной чувствительностью, как показано на рис. 4. На рис. 4 слева показаны их спектральные характеристики. На сегодня реализована структура поляриметра на 12 длин волн.
Рис. 4. Спектральные характеристики поглотителей для многоспектрального поляриметра (слева) и схема их расположения (справа)
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Silverberg R.F., Ali S., Bier A., Campano B., Chen T.C., Cheng E.S., Cottingham D.A., Crawford T.M., Downes T., Finkbeiner F.M., Fixsen D.J., Logan D., Meyer S.S., O’Dell C., Perera T., Sharp E.H., Timbie P.T., Wilson G.W. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. - 2004. - vol. 520. - P. 421.
2. Hubers H.-W. // Nature Photonics. - 2010. - N4. - P.503.
3. Lee Y.-S. Principles of Terahertz Science and Technology (Springer Science+Business Media, LLC, New York, 2009).
4. Rogalski A. Infrared Detectors // Electrocomponent Science Monographs 10. Gordon and Breach Science Publishers: Singapore 2000.
5. Pyroelectric Array Cameras: Pyrocam™ III Series [Electronic resourse] / SPIRICON, Member of the Ophir Group - Англ. - Режим доступа: www.ophiropt.com / www.spiricon.com.
6. Kuznetsov S.A., Paulish A.G., Gelfand A.V., Lazorskiy P.A., Fedorinin V.N. // Applied Physics Letters. - 2011. - Vol.99. - P.023501.
7. Liu X., Starr T., Starr A.F., and Padilla W.J. // Phys. Rev. Lett. - 2010. - Vol. 104. -P.207403.
8. Munk B.A. Frequency Selective Surfaces: Theory and Design / John Wiley&Sons Inc,
2000.
© А.Г. Паулиш, 2012
