Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Энергетическое разрешение интегрированного с антенной терагерцового NbN микроболометра на горячих электронах. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 86 7 8 > Следующая >>>

Ðèñ. 3.9.Âîëüò - амперные õарактеристики детектора ïðè различных темпера-

турах тепловой âàííû. Â оптимальной рабочей òî÷êå ñ наилучшим полученным â ýêсперименте çíàчением отношения сигнал - øóì òîê смещения ñîñòавлял 29 ìêÀ, íàïðÿæåíèÿ смещения áûëî равно 0,5 ìÂ, сопротивление äåтектора ïî постоянному òîêó áûëî равно 17 Îì, äèôôåðåíöиальное сопротивление áûëî ðàâíî 70 Îì.

NEP2= NEP

+ NEP

amp

(3.12)

После ïîäñòановки âñåõ çíàчений â уравнение 3.12 получили

NEP = 2, 4 ·10

−14

Âò·Ãö

−0,5

Òàêèì образом, данный элементарный ðàñ÷¼ò ïîêазывает, ÷òî äàëü- нейшее óменьшение âõîäíûõ потерь â оптических элементàõ детекторной системы, à òàêæå óлучшение ñîãласования детектора ñ âõîäíûì излуче- íèåì è Â× êомпонентàìè потенциально ìîæåò привести ê уменьшению çíàчения оптическîé эквивалентной мощности øóìà приблизительно íà ïîðÿäîê, ÷òî видно èç ðèñ. 3.3.

Â данных расчетàõ ìû íå учитывали влияния других видов шумов, òàêèõ êàê 1/f øóì è дробовой øóì фотонов, êоторое ëèáî несуществен- íî â случае работы íàøåãî детектора, ëèáî потенциально ìîæåò áûòü сведено ê минимуму. Ê ïримеру, вклад дробового øóìà фотонов ìîæåò áûòü оценен следующим образом [87]:

NEPγ=

K√ν2− ν

exp



hν

kBT



− 1

dν,

(3.13)

ãäå

h = 6, 63 · 10

−34

Äæ/ñ  ïîñòîянная Планкà,

фоновая êомнатная температура,

ν1= 0, 3 ·1012ÒÃö è

TB= 300

Ê 

ν2= 8 ·1012ÒÃö

Ðèñ. 3.10.Изображåíèÿ центральной части болометра, изготовленного äëÿ ïðÿ-

ìîãî ýêспериментального измерения энергетическîãî разрешения: a  полученное ñ помощью оптическîãî микроскîïà, b  полученное ñ помощью àòîìíî - силового микроскîïà, c  вертикальный профиль чувствительного элементà болометра вдоль линии, обозначенной æ¼ëòîé стрелкîé.

 íèæíÿÿ è âåðõíÿÿ границы âõîäíîé полосы используåìîé антенны, соответственно, à

K = 5, 2

 êоэффициент ñîãласования детектора ñ

âõîäíûì излучением. Ïîäñòавляя âñå çíàчения â формуëó 3.13, получаем

NEPγ= 1, 6·10

−15

Âò·Ãö

−0,5

, ÷òî íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ меньше полного

расчетного çíàчение электрическîé эквивалентной мощности øóìà.

×òî êасаетсÿ òàê называемого 1/f èëè Фликкåð - øóìà, òî åãî ñïåê- тральная плотность быстро уменьшаетсÿ ñ ростом частоты. Íà частотàõ âûøå 1 ÌÃö îí ñòановитсÿ практически неразличим â измерениях. Ïðè ýòîì детектор ìîæåò работàòü è íà существенно более высоких часто- òàõ, вплоть äî 6 ÃÃö [76]. Óõîä â более высокие частоты возмоæåí, â частности, çà ñ÷åò использования высокочастотного смещения детектора взамен ñòандартного способа åãî смещения постоянным òîêîì. Данная ìåòîäèêà ïîдробно проанализирована íà примере другого широкî èç- вестного детектора íà основе датчикà íà ãðàíèöå перехîäà â работе [98].

3.4 Ïðÿìîå ýêñïериментальное измерение

энергетическîãî разрешения детектора

Измеренное çíàчение эквивалентной мощности øóìà детекторной систе- ìû ñîñòавило

NEP

= 2, 0 × 10

−13

Âò·Ãö

−0,5

. Опубликованное â ñòà-

Ðèñ. 3.11.Ñõåìà ýêспериментальной óñòановки ïî измерению ýíåргетическîãî ðàç-

решения болометра. PL  1,55-ìêì лазерный äèîä ñ длительносòüþ èìïóëüñà èç- лучения менее 50 ïñ, OF  оптическîå волокно, VOA  оптическîé аттенюатор, S  делитель ëó÷à, OPM  оптический измеритель мощности, BS  источник ñìåùå- íèÿ детектора, BT  широкополосíûé адаптер смещения, HEB  детектор, LNA  íèçêошумящий îхлаждаемый óсилитель, RTA  дополнительный óсилитель, DO  цифровой осциллограф.

òüå [76] граничное çíàчение полосы промежуточных частот смесителя íà эффекте электронного разогрева â óëüтратонкèõ пленкàõ NbN ñ диффу- зионным êаналом îхлаждения ïðè критическîé температуре ñîñòавляет îêîëî разрешения детектора должно ñîñòавлять

B = 4, 5

ÃÃö. Следовательно, оценочное çíàчение энергетическîãî

δE ∼ NEPRx·B

−0,5

= 3

àÄæ.

Однакî, данный ðåçóëüòàò следовал ëèøü èç расчетà è требовал ïðямого ýêспериментального ïîдтверждения. Äëÿ ýòîé öåëè áûëè èçãî- товлены специальным образом оптимизированные образцы áîëîìетров различных размеров â плане. Изображåíèÿ центральной части îдного èç òàêèõ болометров длиной îêîëî 0,4 ìêì è шириной îêîëî 4 ìêì, полученные ñ помощью оптическîãî è атомно - силового микроскîïîâ, представлены íà ðèñ. 3.10. Äëÿ получения изображåíèÿ ñî ñêанирую- ùåãî микроскîïà атомных ñèë âåðõíèé защитный ñëîé SiO2стравли- âàëñÿ посредством æèäêостного травления, êоторое привоäèëî òàêæå ê частичному стравливанию кварцåâîé ïîäëîæêè.

Детекторы áûëè изготовлены íà основå тонких пленок NbN (толщи- íîé îêîëî 4 íì), нанесенных íà полированную поверхность кварцевых ïîäëîæåê. Процесс изготовления áûë â целом аналогичен òîìó, ÷òî îïè-

Ðèñ. 3.12.Внешний âèä используемого äåðæателя äëÿ детектора íà êопланаре,

совмещенного ñ оптическим волокном. Äëÿ ýëåêòðè÷åñêîãî соединения детектора ñ êопланаром использовалась технология микросварки.

ñàí â предыдущих разделах ñ òîé ëèøü разницей, ÷òî чувствительный элемент здесь íå интегрировалсÿ ñ планарной антенной. Объяснялось ýòî òåì, ÷òî длина волны принимаемого излучения ñîñòавляла 1,55 ìêì, ÷òî вполне сравнимо ñ размерами самого чувствительнîãî элементà. Â êàчестве ïëîõîé антенны â данном случае выступали Au êîíòàêòû ê NbN мостику.

Íà ðèñ. 3.11 представлено ñõематическîå представление ýêсперимен- òальной óñòановки ïî измерению энергетическîãî разрешения боломет- ðà. Â êàчестве источникà излучения использовалсÿ èìïóльсный лазер- íûé äèîä ñ длиной волны излучения 1,55 ìêì, частотой повторения èì- ïóльсов 10 ÌÃö è длительностью èìïóльсов менее 50 ïñ. ×èï детектора специальным образом бондировалсÿ íà óñòановкå микросварки ê êîïëà- нарной линии è смещалсÿ источникîì íàïðÿæåíèÿ ñ помощью широкî- полосного адаптера ñмещения. Èìïóëüñû, регистрируåìûå детектором, óñèливались íèçêошумящим îхлаждаемым óсилителем ñ êоэффициåí- òîì óсиления 30 äÁ â полосе частот 0,2  4 ÃÃö. ×èï детектора, ñîâ- мещенный ñ оптическим волокном è закрепленíûé â специальном äåð- æателе, изображенном íà ðèñ. 3.12, вместе ñ íèçêошумящим îхлаждае- ìûì óсилителем óñòанавливались íà êîíöå ìàêåòà, îïóñêаемого â ñîñóä

Ðèñ. 3.13.Полученная ýêспериментальная зависимость сигнала ñ детектора îò ïî-

ãлощенной мощности. Трехдецибельный динамический диапазон обозна÷åí íà ãðà- ôèêå синими линиями. Красная линия представлена äëÿ облегчения âèçóального восприятия. Íà âñòàâêå представлена временная разверткà откликà детектора íà èìïóëüñû излучения 1,55 - микронного лазера длительностью менее 50 ïñ.

Дьюара ñ жидким гелием. Сигнал дополнительно óсиливалсÿ êомнатным óñèлителем ñ êоэффициентом óсиления 24 äÁ â частотной полосе 0,7 - 18 ÃÃö. Óсиленный сигнал регистрировалсÿ цифровым осциллографом, âåðõíÿÿ частотà âõîäíîé полосы êîòîðîãî ñîñòавляла 4 ÃÃö. Ïîдстройкà мощности падающего излучения осуществлялась ñ помощью оптическî- ãî аттенюатора, äëÿ ÷åãî часть излучения лазера îòâîдилась íà íåãî ñ помощью оптическîãî делителя ëó÷à. Контролü поляризации излучения осуществлялсÿ ñ помощью волокîííîãî вращателя поляризации.

Òемпературная зависимость сопротивления образца имеет âèä, àíà- логичный представленному íà ðèñ. 3.8. Íà графикå ýòîé зависимости просматриваютсÿ äâà выраженных ñâåðхпроводящий перехîäà. Первый ïðè температуре 7.9 Ê соответствуåò перехîäó чувствительного элементà детектора, âòîðîé ïðè температуре 6.0 Ê возникàåò вследствие эффек- òà близости между слоем ñâåðхпровоäíèêà NbN è слоем нормального ìåòàëëà Au.

Íà ðèñ. 3.13 представлена ïолученная зависимость сигнала ñ детек- òîðà îò ïîãлощенной мощности â èìïóëüñå излучения 1,55 - микронно- ãî лазера длительностью менее 50 ïñ. Величина ïîãлощенной мощности определялась ñ помощью ìåòîäèêè, ïîдробно описанной â работе [99]. Âåðõíÿÿ граница òðåõäецибельного динамическîãî диапазона детектора соответствуåò 220 íÂò ïîãлощенной мощности. Минимально различимый

сигнал соответствуåò ïîãлощенной мощности 8,3 íÂò. Òàêèì образом, трехдецибельный динамический äèàïàçîí детектора ñîñòавляет ïðèáëè- зительно 14 äÁ.

Íà âñòàâêå ê ðèñ. 3.13 представлена временная разверткà отклиêà детектора. Длительность переднего фронтà ñîñòавляет îêîëî 130 ïñ è определяетсÿ высокочастотными свойствами трактà. Длительность çàä- íåãî фронтà ñîñòавляет îêîëî 0.4 íñ. Длительность èìïóëüñà íà ïî- лувысоте ñîñòавляет îêîëî менте çíàчение эквивалентной мощности øóìà ñîñòавило

1, 1 × 10

−13

Âò·Ãö

−0,5

. Ýòî çíàчение õорошо ñîãëàñóåòñÿ ñ полученным

τ + 0 = 250

ïñ. Полученное â ýêспери-

NEP

â работе [39] äëÿ аналогичных NbN детекторов â терагерцовом диапа- çîíå, ÷òî ïîдтверждает частотную независимость физическîãî ìåõàíèç- ìà формировàíèÿ откликà ñâåðхпровоäíèêового болометра íà эффекте электронного разогрева íà падающее излучение. Òàêèì образом, â ïðÿ- ìîì ýêсперименте áûëî ïðîдемонстрировано энергетическîå разрешение

√

изучаемого â работе детектора ïîðÿäêà

δE = N EP

τ0= 1, 5

àÄæ íà полувысоте èìïóëüñà [100], ÷òî соответствуåò длине волны излучения ïîðÿäêà 0,13 ìêì.

Ãëàâà 4. Применåíèå äетекторной системы äëÿ регистрации êоротких èìïóльсов терагерцового излучения

Â ãëàâå 4 представлен обзор ýêспериментов ïî регистрации èìïóльсного излучения.

4.1 Ðегистрации ÒÃö èìïóльсов наносе-

кундной длительности, сгенерирован- íûõ ìåòîäîì оптическîãî âûïðямленèÿ

Изготовленная терагерцовая детекторная система áûëà использована â совместном ýêсперименте ñ Междунароäíûì учебно - íàучным лазер- íûì центром ÌÃÓ ïî регистрации терагерцовых èìïóльсов наносекунд- íîé длительности, полученных ìåòîäîì оптическîãî âûïðямления [101]. Принципиальная áëîê - ñõåìà ýêспериментальной óñòановки предстàâëå- íà íà ðèñ. 4.1.

Оптическîå âûïðямление осуществлялось â периодически поляри- зованном кристàëëå Mg:Y:LiNbO3(PPLN). Â êàчестве источникà íàêà- чивающего излучения использовалсÿ лазер íà кристàëëå LiF ñ центрами окраски ñ центральной длиной волны генерации 1145 íì è шириной ïîëî- ñû излучения 20 íì. Äëÿ íàêà÷êè этого лазера использовалсÿ Nd:YAG - лазер. Длительность èìïóльсов генерации LiF - лазера ñîñòавляла 25 íñ. Äëÿ предотвращения попадаíèÿ оптическîãî èçëó÷åíèÿ íà âõîäíîå îê- íî криостàòà ñ детектором, à òàêæå êонтролируåìîãî ослабления òåðà- герцового излучения использовались сменные ôèëüòðû èç полиэтилена высокîé плотности.

Â описанном ýêсперименте ñ помощью исследуемого â работе äå- тектора íà основе болометра íà эффекте электронного разогрева áûëè зарегистрированы èìïóëüñû излучения 1.5 ÒÃö (данное çíàчение áûëî êосвенно определено, èñõîäÿ èç величèíû периоäà доменной структуры используемого кристàëëà PPLN, равной 65 ìêì) наносекундной длитель- ности. Òàêæå áûëà исследована зависимость ïèêîâîé мощности сгенери-

Ðèñ. 4.1.Áëîê - ñõåìà ýêспериментальной óñòановки ïî регистрации èìïóльсов òå-

рагерцового излучения, полученных ìåòîäîì îïòè÷åñêîãî âûïðямления: 1 - делитель ëó÷à, 2 - линза, 3 - нелинейный оптический кристàëë, 4 - внеосевое параболическîå çåðêàëî, 5 - набор ôèëüòðîâ излучения лазера, 6 - тефлоновая линза, 7 - болометр íà эффекте электронного разогрева, 8 - ôîòîдетектор, 9 - осциллограф.

Ðèñ. 4.2.Áëîê - ñõåìà ýêсперимеíòальной óñòановки: F - набор ÈÊ - ôèëüòðîâ, SL

- сферическàÿ линза, Z - оптическàÿ îñü кристàëëà GaSe. Â êàчестве детектора èì- ïóльсов терагерцового излучения использовалсÿ болометр íà эффекте электронного разогрева.

рованного терагерцового излучения îò энергии èìïóльсов íàêà÷êè. Òà- êèì образом, òàêæå áûëà íà практикå ïðîдемонстрирована возможность использования исследуемого â работе детектора â êàчестве измерителя мощности êоротких èìïóльсов излучения терагерцового диапазона.

4.2 Детектирование êоротких èìïóльсов

ÒÃö излучения, полученíûõ ìåòîäîì ãå- нерации íà разностной частоте â íåëè- нейной оптическîé среде

Â êàчестве демонстрации работы изготовленной детекторной системы совместно ñ Междунароäíûì учебно - íàучным лазерным центрои ÌÃÓ è Физическим институтом èì. Ï. Í. Лебедева áûë проведен ýêсперимент, принципиальная áëîê - ñõåìà êоторого представлена íà ðèñ. 4.2. Ãенера- öèÿ разностной частоты â нелинейных оптических средах являетсÿ îä- íèì èç наиболее часто используåìûõ ìåòîäîâ генерации êогерентного терагерцового излучения. Äëÿ возникновения генерации оптическàÿ îñü нелинейного кристàëëà ориентируåòñÿ ïîä òàêèì óãëîì ïî отношению ê волновому вектору íàêàчивающего излучения, ÷òî реализуåòñÿ òàê íàçû- ваемое óсловие фазового синхронизма. Â ýòîì случае íà âûõîäå кристàë- ëà ïîÿâëÿåòñÿ сигнальное излучения, частотà êоторого равна абсолют- íîé разности частот ïó÷êîâ íàêà÷êè. Â êàчестве источникà излучения íàêà÷êè íàìè áûë использован äèîäíûé Nd:YLF лазера ñ ìîäóляцией добротности. Ïîдробное описание åãî работы ìîæíî найти â работе [51]. Âûõîäíîå излучение лазера íà äлинах âîëí 1,047 ìêì è 1,053 ìêì ñ îð- тогональных поляризаций áûëî отправлено íà нелинейный оптический кристàëë GaSe толщиной 5 ìì. Óãîë между ïó÷êàìè излучения íàêà÷- êè è оптическîé îñüþ кристàëëà ñîñòàâèë îêîëî 11 градуñîâ. Ðàäèóñû поперечных сечений íàêàчивающих ïó÷êîâ íà поверхности кристàëëà GaSe áûëè равны îêîëî 290 ìêì. Сгенерированное терагерцовое излуче- íèå совмещалось ñ детектором ñ помощью тефлоновой линзы диаметром 50 ìì. Ìû использовали набор кремниевых ôèëüòðîâ è черный ïîëè- этилен äëÿ ôèëüтрации излучения íàêà÷êè лазера.

Временная разверткà èìïóльсов терагерцового излучения áûëà ïî- лучена ñ помощью изготовленной детекторной системû è цифрового осциллографа, âåðõíÿÿ частотà âõîäíîé полосы êоторого ñîñòавляла 350 ÌÃö (полоса частот используåìûõ íàìè óñèëèòåëåé ограничивалась ñâåðõó частотой 200 ÌÃö). Временные развертки èìïóльсов íàêà÷êè íà длинах âîëí 1,047 ìêì è 1,053 ìêì áûëû получены ñ помощью òîãî æå осциллографа è быстрых ôîòîäèîäîâ. Ðåçóëüòàòû представлены íà ðèñ. 4.3. Использованиå нашего быстрого детектора позволило предстà-

Ðèñ. 4.3.Осциллограммы èìïóльсов излучения лазера íà длинах âîëí 1,047 ìêì è

1,053 ìêì (à), à òàêæå èìïóëüñà терагерцового излучения (b), полученногî ñ ïîìî- ùüþ болометра è цифрового осциллографа.

âèòü èìïóëüñû áåç èñêàæåíèÿ èõ формы. Èç ðèñ. 4.3 видно, ÷òî длитель- ность сгенерированных терагерцовых èìïóльсов ñîñòавила îêîëî 12 íñ.

Использование быстрого детектора â описанном ýêсперименте ïîç- волило существенно увеличить отношение сигнал - øóì. Детекторы ñ большой постоÿííîé времени, òàêèå êàê ячейкà Ãîëåÿ, способны ðåãè- стрировать ëèøü среднее çíàчение мощности сгенерированного терагер- цового излучения, â òî âðåìÿ êàê детекторы ñ малой постоянной времени, òàêèå êàê íàù болометр íà эффекте электронного разогрева, способны зарегистрировать ïèêîâîå çíàчение мощности, увеличивая òåì самым îò- ношение сигнал - øóì. Çà ñ÷åò этого óдалось ñ высокîé точностью èçìå- ðèòü зависимость мощности сгенерированных èìïóльсов терагерцового излучения îò óãëà между оптическîé îñüþ Z кристàëëà GaSe è êоллине- арными ïó÷êàìè излучения íàêà÷êè (òàê называемая кривая фазового синхронизма). Ðåçóëüòàòû предстàâëåíû íà ðèñ. 4.4.

Ñ помощью ячейки Ãîëåÿ è синхронного óсилителÿ áûëà определе- íà средняя ìîùíîñòü сгенерированного терагерцового излучения, ìàê- симальное çíàчение êоторой ñîñòавило 52 íÂò. Ñ учетом длительности èìïóëüñà â 12 íñ расчетное çíà÷åíèå ïèêîâîé мощности ñîñòавляет îêîëî 0,7 ìÂò. Ñ учетом òîãî, ÷òî ìàêсимальная ïèêîâàÿ мощность êаждого

<<< < Предыдущая 1 2 3 4 56 / 86 7 8 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]