способ модуляции инфракрасного излучения

Формула изобретения

Способ модуляции инфракрасного излучения путем подачи света на рабочий оптический элемент, выполненный из n-слоев, где n 1, манганита A_1-xB_xMnO₃ , в котором трехвалентный редкоземельный металл А частично замещен одно- или двухвалентным металлом В со степенью замещения х, под действием управляющего магнитного поля, в которое помещают рабочий элемент, и регистрации выходного излучения фотоприемным элементом, отличающийся тем, что свет к поверхности рабочего оптического элемента подают под углом от 5° до 75° между направлением света и перпендикуляром к поверхности рабочего оптического элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптоэлектроники, в частности к модуляции интенсивности оптического излучения.

Бурное развитие техники высокоскоростного управления интенсивностью света для передачи и обработки информации, голографии, оптических компьютеров, бесконтактных датчиков и др. выдвигает высокие требования к оптически активным материалам. Наиболее высоким быстродействием обладают магнитные материалы, для которых намагничивание может осуществляться за время меньшее наносекундного диапазона. Эффективность быстродействующего управления направлением распространения и модуляцией света с помощью магнитного поля и магнитооптических эффектов, в том числе с использованием магнитофотонных кристаллов, подтверждена экспериментально (М.Inoue, A.Granovsky, О.Aktsipetrov et al., Magnetophotonic Crystals in Magnetic Nanosctmctures, Eds. B.Aktas, L.Tagirov, F.Mikailov, Springer Series in Materials Science (2007), Vol.94, p.29). Однако системы управления интенсивностью света работают либо только в проходящем либо только в отраженном от рабочего оптического элемента свете. Это существенно сужает область их применения, поскольку существуют технические условия, при которых необходимо использовать одни и те же системы как в отраженном, так и проходящем свете. Например, управление интенсивностью света в сильнозагроможденных зонах помещений или в устройствах, в которых в зависимости от возможности можно использовать как отраженный под каким-либо углом промодулированный свет, так и свет, распростроняющийся прямолинейно.

Известны различные способы модуляции инфракрасного излучения, основанные на различных физических явлениях (Е.Р.Мустель и В.Н.Парыгин, Методы модуляции и сканирования света, М., Наука, 1970; Рандощкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. М.: Энергоатомиздат, 1990; А.Н.Георгобиани. Модуляционная спектроскопия. Соросовский образовательный журнал. 2001, Т.7, № 6, с.75-81). 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 в качестве источника, управляющего интенсивностью света, реализуется в работе магнитооптических модуляторов излучения, использующих магнитные диэлектрики и полупроводники, в модуляторах света, основанных на сдвиге края основной полосы оптического поглощения под действием магнитного поля или на эффекте магнитопоглощения.

Магнитопоглощение - это изменение под действием магнитного поля коэффициента поглощения неполяризованного (естественного) света в магнетике, например, в магнитном полупроводнике: / =( _H- ) , где _H - коэффициент поглощения в магнитном поле, - коэффициент поглощения без магнитного поля. В технических приложениях обычно используется величина магнитопропускания естественного света: t/t=(t_H-t)/t, где t_H - пропускание света веществом в магнитном поле, t - пропускание без магнитного поля.

Известен способ модуляции оптического излучения, осуществляемый в модуляторе инфракрасного излучения, работающем на эффекте магнитопропускания в магнитном полупроводнике HgCr ₂Se₄ (Н.Н.Лошкарева, Ю.П.Сухоруков, Б.А.Гижевский, А.А.Самохвалов. Модулятор ИК-излучения на магнитном полупроводнике. // Письма в ЖТФ, 1989, Т.15, вып.17, С.83-86).

Способ осуществляют следующим образом. Свет подают на рабочий оптический элемент перпендикулярно его освещаемой поверхности исходя из условия минимальных оптических потерь. Рабочий оптический элемент помещают в магнитное поле. Переменное магнитное поле от источника поля вызывает изменение интенсивности излучения, прошедшего через рабочий оптический элемент с частотой, равной удвоенной частоте источника магнитного поля, за счет эффекта магнитопропускания. Магнитное поле прикладывают перпендикулярно или параллельно освещаемой поверхности рабочего оптического элемента.

Недостатками способа являются наличие низкой рабочей температуры (Т=120 K), необходимость применения оптических криостатов и особые требования к качеству рабочего оптического элемента, выполненного из монокристалла. С помощью этого способа модулируется только излучение, прошедшее через оптический элемент, поскольку способ основан на эффекте магнитопропускания.

Известен также способ модуляции инфракрасного излучения, осуществляемый в модуляторе, работающем 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).

Способ осуществляют следующим образом. Свет подают на рабочий оптический элемент перпендикулярно его освещаемой поверхности исходя из условия минимальных оптических потерь. Рабочий оптический элемент помещают в магнитное поле. Переменное магнитное поле от источника поля изменяет соотношения ферромагнитной металлической непрозрачной и неферромагнитной прозрачной фаз вблизи температуры Кюри (температура ферромагнитного упорядочения Т_С), что вызывает изменение интенсивности излучения, прошедшего через рабочий оптический элемент с частотой, равной удвоенной частоте источника магнитного поля, за счет эффекта магнитопропускания. Магнитное поле прикладывают перпендикулярно или параллельно, или под углом относительно освещаемой поверхности рабочего оптического элемента.

Недостатками этого способа является наличие узкого температурного диапазона модуляции света T=T_C±(10-15) K, для обеспечения которого необходима система термостабилизации. И этот способ также позволяет модулировать только оптическое излучение, прошедшее через оптический элемент, т.к. способ основан на эффекте магнитопропускания.

Известен также способ модуляции оптического излучения, осуществляемый в модуляторе, работающем на магнитооптическом эффекте Керра (относительное изменение интенсивности поляризованного отраженного от образца света под действием магнитного поля). Однако из-за малой величины эффекта (~10^-3%) такие модуляторы нашли применение только в магнитооптических установках для автоматической записи магнитных характеристик ферромагнетика на участках поверхности размером 1 мкм² (Гасс В.Г., Сейфуллин И.Г. Магнитооптическая установка для автоматической записи магнитных характеристик ферромагнетиков на микроучастках поверхности в статических магнитных полях. Приборы и техника эксперимента, 1973, № 5, стр.215-217). Недостатками этого способа является использование линейно поляризованного света, для обеспечения которого необходимо применение дополнительных оптических элементов: поляризатора и анализатора. Этот способ модулирует только отраженное от оптического элемента линейно поляризованное излучение, т.к. способ основан на магнитооптическом эффекте Керра.

Наиболее близким к заявляемому является способ модуляции инфракрасного излучения, осуществляемый в модуляторе [патент РФ № 2346315], основанный на изменении пропускания света, который направлен перпендикулярно его рабочей поверхности, под действием управляющего магнитного поля в рабочем оптическом элементе, выполненном из n-слоев, где n 1, манганита A_1-xB_xMnO₃ , в котором трехвалентный редкоземельный металл А частично замещен одно- или двухвалентным металлом В со степенью замещения x, обладающем эффектом магнитопропускания света.

Способ осуществляют следующим образом.

Свет подают на рабочий оптический элемент перпендикулярно его освещаемой поверхности исходя из условия минимальных оптических потерь. Рабочий оптический элемент помещают в магнитное поле. Магнитное поле прикладывают перпендикулярно или параллельно, или под углом относительно поверхности рабочего оптического элемента, состоящего из подложки, слоев манганита и переходного нанослоя. Воздействие магнитного поля приводит к изменению соотношения ферромагнитной металлической непрозрачной и неферромагнитной прозрачной фаз в слоях манганита и в переходном нанослое рабочего оптического элемента. В рабочем оптическом элементе возникает эффект магнитопропускания, т.е. изменение под действием магнитного поля интенсивности излучения на выходе рабочего элемента. Поскольку магнитопропускание является четным эффектом, то частота изменения интенсивности прошедшего излучения равна удвоенной частоте источника переменного магнитного поля. Промодулированное оптическое излучение на выходе рабочего оптического элемента регистрируют фотоприемным элементом. Таким образом происходит модуляция интенсивности излучения, прошедшего через оптический элемент. Амплитуда интенсивности света на выходе модулятора пропорциональна величине приложенного магнитного поля.

Этот способ обеспечивает существенное расширение температурной области модулирования ИК-излучения.

Однако и в этом способе управляющее магнитное поле модулирует только излучение, прошедшее через рабочий оптический элемент и образующееся при подаче света перпендикулярно поверхности рабочего оптического элемента исходя из условий обеспечения минимальных оптических потерь.

В основу изобретения положена задача расширения функциональных возможностей способа модуляции инфракрасного излучения за счет модулирования отраженного от рабочего оптического элемента света, при сохранении возможности модулирования света, проходящего через рабочий оптический элемент.

Поставленная задача решается тем, что в способе модуляции инфракрасного излучения свет подается на рабочий оптический элемент, выполненный из n-слоев, где n 1, манганита A_1-xB_xMnO₃ , в котором трехвалентный редкоземельный металл А частично замещен одно- или двухвалентным металлом В со степенью замещения x, под действием управляющего магнитного поля, в которое помещен рабочий элемент, промодулированное оптическое излучение на выходе рабочего оптического элемента регистрируется фотоприемным элементом, согласно изобретению, свет к поверхности рабочего оптического элемента подают под углом от 5 град. до 75 град. между направлением света и перпендикуляром к поверхности рабочего оптического элемента.

Осуществление подачи света к поверхности рабочего элемента под углом от 5 град. до 75 град. позволило модулировать как свет, прошедший через рабочий оптический элемент, так и свет, отраженный от поверхности рабочего оптического элемента.

Как правило, при модуляции прошедшего излучения свет всегда подавали перпендикулярно поверхности рабочего оптического элемента исходя из условий обеспечения минимальных оптических потерь. Авторами было обнаружено, что при такой подаче света на рабочем оптическом элементе, выполненном из n-слоев, где n 1, манганита А_1-xB_xMnO₃ , в котором трехвалентный редкоземельный металл А частично замещен одно- или двухвалентным металлом В со степенью замещения x, обладающем эффектом магнитопропускания света, возникает не только эффект магнитопропускания, но и эффект магнитоотражения. Как было установлено авторами изобретения, тонкопленочные манганиты, приготовленные разными способами, например, состава La_0.7Са_0.3 MnO₃ различной толщиной с максимумом колоссального магнитосопротивления вблизи температуры Кюри, обладают гигантским магниторефрактивным эффектом. Эффект связан как с изменением пропускания (магнитопропускание) на выходе рабочего оптического элемента, так и отражения (магнитоотражение - R/R) естественного света от поверхности рабочего оптического элемента под действием магнитного поля (см. выражения 1 и 2).

где R_H и R - коэффициенты отражения света в магнитном поле и без поля, / - магнитосопротивление.

Величины магнитопропускания и магнитоотражения достигают десятков процентов в широкой спектральной области от видимого до глубокого ПК-диапазона. Например, как видно из фиг.1, магнитоотражение рабочего оптического элемента из пленки La_0.7Са_0.3MnO₃ толщиной 50 нм на прозрачной подложке LaAlO₃ достигает больших величин в диапазоне длин волн от 8 до 17 мкм, а магнитопропускание элемента достигает наибольших величин в диапазоне длин волн от ~1.7 до 21 мкм (ИК-диапазон спектра), что в итоге существенно превышает рабочую спектральную область прототипа (2-10 мкм) и других магнитооптических эффектов в манганитах с колоссальным магнитосопротивлением. В пленке толщиной 300 нм магнитоотражение имеет место не только в ИК-области спектра, но достигает 2% в области длин волн ниже 0.9 мкм. Максимумы магнитопропускания и магнитоотражения достигаются при температурах близких температуре Кюри. Эффекты являются четными, не имеют гистерезиса и насыщения в зависимости от величины и направления магнитного поля (фиг.2). До обнаружения эффекта магнитоотражения свет подавался только перпендикулярно к поверхности рабочего оптического элемента модулятора, поскольку в этом способе управляющее магнитное поле модулировало только излучение, прошедшее через рабочий оптический элемент, вследствие эффекта магнитопропускания. Такая подача света на рабочий оптический элемент позволяла проводить автоколлимацию устройства и минимизировать оптические потери. После обнаружения эффекта магнитоотражения, для регистрации как отраженного, так и прошедшего модулированного излучения, свет необходимо направлять под углом к поверхности рабочего оптического элемента. Поскольку в случае направления света перпендикулярно поверхности оптического элемента необходимо вводить дополнительные оптические элементы для получения отраженного излучения от рабочего оптического элемента, которые приводят к существенному увеличению оптических потерь, усложнению конструкции устройства и способа юстировки (настройки) оптической системы.

Диапазон угла подачи света от 5 до 75 град. между направлением света и перпендикуляром к поверхности рабочего элемента выбран исходя из условия минимального угла падения света 5 град., при котором можно регистрировать как отраженный, так и максимальную интенсивность прошедшего через рабочий оптический элемент света, и максимального угла падения света 75 град., близкого углу «Брюстера», при котором можно регистрировать как максимальную интенсивность отраженного света, так и слабый, прошедший через рабочий оптический элемент свет.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает модулирование управляющим магнитным полем как отраженного от рабочего оптического элемента излучения, так и прошедшего через него, тем самым расширяя функциональные возможности.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

на фиг.1 представлена спектральная зависимость магниторефрактивного эффекта при температурах максимальных значений эффектов а) на магнитоотражении в магнитном поле величиной 3 кЭ, параллельном поверхности пленок состава La_0.7Са_0.3MnO ₃, толщиной 50, 180, 300 нм и b) на магнитопропускании в магнитном поле величиной 8 кЭ, перпендикулярном поверхности пленок состава La_0.7Са_0.3MnO₃ толщиной 50 и 180 нм;

на фиг.2 представлена полевая зависимость магниторефрактивного эффекта при температурах и длинах волн максимальных значений эффектов а) на магнитоотражении в магнитном поле, параллельном поверхности пленок состава La _0.7Са_0.3MnO₃ толщиной 50 нм и b) на магнитопропускании в магнитном поле, перпендикулярном поверхности пленок состава La_0.7Са_0.3MnO₃ толщиной 50 и 180 нм;

на фиг.3 схематическое изображение способа модулирования отраженного и прошедшего оптического излучения через рабочий оптический элемент из пленки на прозрачной подложке, помещенный в источник управляющего магнитного поля, направленного перпендикулярно освещаемой поверхности;

на фиг.4 - то же, но с управляющим магнитным полем, направленным вдоль освещаемой поверхности рабочего оптического элемента.

Способ осуществляют следующим образом.

Неполяризованный свет подают на поверхность рабочего оптического элемента 1, например, под углом 7 град. между направлением света и перпендикуляром к поверхности рабочего оптического элемента, состоящего из немагнитной прозрачной подложки LaAlO₃ толщиной 460 мкм и слоя манганита, например, La_0.7 Са_0.3MnO₃ толщиной 180 нм или 50 нм, температурой Кюри 265 К. Рабочий оптический элемент 1 помещают в источник 2 переменного магнитного поля. Переменное магнитное поле создают при пропускании переменного электрического тока с частотой со через катушку (300 А/витков) с магнитным сердечником. Магнитное поле прикладывают перпендикулярно или параллельно (фиг.3) или под углом относительно поверхности рабочего оптического элемента 1 (фиг.4). Свет модулируется в рабочем оптическом элементе 1 под действием магнитного поля. Модуляция осуществляется за счет изменения соотношения объемов ферромагнитной высокопроводящей и неферромагнитной слабопроводящей фаз в слоях манганита под действием переменного магнитного поля, приводящего к возникновению в манганите магниторефрактивного эффекта на магнитопропукании и магнитоотражении. Часть модулированного света проходит через рабочий оптический элемент 1, оставшаяся часть света отражается от его поверхности. Соотношение прошедшей через и отраженной от рабочего оптического элемента 1 частей света регулируется толщиной рабочего оптического элемента 1 и величиной угла подачи света на его поверхность. Частота модулированного света равна удвоенной частоте 2 магнитного поля. Величина рабочего температурного диапазона модулирования света определяется величиной Т_с слоя (слоев). Например, для пленок состава La_0.7Са _0.3MnO₃ он составлял 255 K<Т<270 K. Интенсивности света, прошедшего через рабочий оптический элемент 1 и отраженного от него, пропорциональны величине приложенного магнитного поля (Фиг.2) и регистрируются фотоприемными элементами, такими как ФЭУ-52, KRT, болометром. Спектральный диапазон в длинах волн модулированного излучения, прошедшего через рабочий оптический элемент 1, составляет 1.7-21 мкм в инфракрасной области спектра (фиг.1). Спектральный диапазон отраженного модулированного излучения от рабочего оптического элемента 1 из пленки La_0.7 Са_0.3MnO₃ толщиной 300 нм имеет область длин волн <0.9 мкм и при >1.1 мкм, т.е. в видимой и инфракрасной области спектра.

Проведенные лабораторные испытания предлагаемого способа подтвердили его работоспособность и достижение технического результата - модуляции переменным магнитным полем интенсивности естественного отраженного от рабочего оптического элемента света, при сохранении возможности модулирования интенсивности света, проходящего через рабочий оптический элемент.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает расширение функциональных возможностей модуляции инфракрасного излучения за счет модулирования отраженного от рабочего оптического элемента света, при сохранении возможности модулирования света, проходящего через рабочий оптический элемент.