Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энергетическое разрешение интегрированного с антенной терагерцового NbN микроболометра на горячих электронах. Монография
.pdf
Ðèñ. 4.4.Зависимость мощности сгенерированных èìïóльсов терагерцового èçëó-
чения îò óãëà между оптическîé îñüþ Z кристàëëà GaSe толщиной 5 ìì è êîëëè-
неарными ïó÷êàì èçëó÷åíèÿ íàêà÷êè (òàê называеìàÿ кривая фазового синхрониз-
ìà). Ýêспериментальные äàííûå представлены òî÷êàìè, соответствующие расчеòû
- сплошной красной линией.
ïó÷êà íàêà÷êè ñîñòавляла 8 êÂò, эффективность преобразования равна
0, 9 ·10−7.
4.3 Исследование êоэффициентà отражåíèÿ
роговицы è склеры â ñубтерагерцовом
диапазоне
Êàê óæå отмечалось âî Введении монографии, адекватный êонтроль ñòå-
ïåíè гидратàöèè роговицы è склеры очень âàæåí äëÿ ранней диагно-
стики различных îôòальмопатологий, связанных ñ инвалидизирующи-
ìè нарушениями рефракции (дистрофии роговицы, êератокîíóñà, ïðî-
грессирующей миопиè è äð.). Использование терагерцового излучения
äëÿ ýòèõ целей представляетсÿ весьма перспективным, ïîñêольку âîäà
эффективно ïîãлощаеò терагерцовое излучение è обладает высокîé äè-
электрическîé проницаемостью â ýòîì диапазоне, ÷òî определяет âûñî-
êîå çíàчение êоэффициентà отражåíèÿ. Ýòè обстоятельства открывают
возможности äëÿ использования систем ñêанирования â отраж¼ííîì òå-
рагерцовом излучении îò поверхности материалов, â òîì числе биоло-
гических òêàíåé, äëÿ обнаружåíèÿ малейших изменений êонцентрации
ñîäåðæащейсÿ â íèõ âîäû.
61
Ðèñ. 4.5.Áëîê - ñõåìà ýêспериментальной óñòановки ïî исследованию зависимо-
ñòè êоэффициåíòà отражåíèÿ роговицы è склеры â субтерагерцовом диапазоне îò
процентного ñîäåðæàíèÿ âîäû ïî массе: 1 лавинно - пролетный äèîä (ËÏÄ), 2
детектор íà основе äèîäà ñ барьером Шоттки, 3 источник ïèòàíèÿ è ìîäóляции
ËÏÄ, 4 фазочувствительный детектор, 5 исследуåìûé образец, 6 электронные
âåñû.
Áûëî проведено ýêспериментальное исследование зависимости êî-
эффициентà отражåíèÿ роговицы è склеры â ñóáòåðàãåðцовом диапазоне
îò процентного ñîäåðæàíèÿ âîäû ïî массе [25]. Áëîê - ñõåìà ýêсперимен-
òальной óñòановки представлена íà ðèñ. 4.5.
 êàчестве источникà излучения использовалсÿ лавинно - ïðîë¼ò-
íûé äèîä ñ частотой излучения ïîðÿäêà 95 ÃÃö, излучение êоторого ñ ïî-
мощью специального рупора íàïравлялось íà èññëåäóåìûé образец, ðàç-
мещенный â ÷àøêå Петри. Ãенерируåìîå излучение амплитуäíî - ìîäóëè-
ровалось источникîì ïèòàíèÿ íà частоте 16.6 êÃö. Отраженный сигнал
ôèêсировалсÿ ñ помощью детектора íà основе äèîäà ñ барьером Øîòò-
êè, электрический сигнал ñ êîòîðîãî ïîдавалсÿ íà фазочувствительный
детектор, опорный сигнал íà êоторый ïîдавалсÿ ñ âûõîäà синхрониза-
öèè источникà ïèòàíèÿ лавинно - прол¼тного äèîäà. Äëÿ ñîãласования
отраженного îò материала сигнала ñ детектором использовалсÿ второй
рупор.
×àøêà Петри ñ исследуåìûì образцом óñòанавливалась íà âåñû ñ
62
Ðèñ. 4.6.Зависимость êоэффициентà отражåíèÿ роговицы (красные треугольники)
è склеры (÷¼ðíûå квадраты) îò ïðîöåнтного ñîäåðæàíèÿ âîäû ïî массе.
точностью измерения массы
10−4ã. Òàêèì образом обеспечивалась âîç-
ìîжность измерения зависимости отраженного сигнала îò ñîäåðæàíèÿ
âîäû â материале â процессе åãî высушивания. Èçìерениÿ проводились
äî òåõ ïîð, ïîêà изменялсÿ сигнал, è ñîхранялась èñõîäíàÿ форма ðîãî-
âèöû è склеры.
Íà обратную сторону чашки Ïåòðè наклеивалсÿ ïîãлощающий ìà-
териал Eccosorb ñ целью уменьшения паразитного отражåíèÿ излучения
îò ìåòаллическîé поверхности весов, используåìûõ â ýêсперименте. Îä-
íàêî, полностью избавитьсÿ îò этого паразитного отраженного излуче-
íèÿ íå óäàëîñü. Â ýêсперименте îíî ñîñòавляло ïîðÿäêà 30% îò общей
мощности, ôèêñèðóåìîé детектором. Следуåò òàêæå отметить, ÷òî íåêî-
торая часть отраженного îò материала излучения íå äîõîäèëà äî детек-
òîðà èç - çà неидеального ñîãласования è рассеивания. Ïî ýòîé причине
íà ðèñ. 4.6 ñ графикîì, изображающим полученные ýêспериментальные
ðåçóëüòàòû, величина отраженного сигнала выражåíà â относительных
единицах.
Êàê видно èç ðèñ. 4.6, уменьшение процентного ñîäåðæàíèÿ âîäû
â роговице íà 1% привоäèò ê уверенно регистрируемому уменьшению
отраженного сигнала íà 13%, ÷òî õорошо ñîãëàñóåòñÿ ñ ðåçóëüòàòàìè,
представленными â работе [30]. Ïîдтверждаетсÿ òàêæå линейная çàâè-
симость êоэффициентà отражåíèÿ îò процентного ñîäåðæàíèÿ âîäû ïî
массе â области слабого высушивания роговицы. Ïðè более сильном âû-
сушивании форма кривой меняетсÿ, ÷òî, âåðîÿòíî, связано ñ деформа-
öèåé самой роговицы, âûçâàííîé потерей âîäû.
Полученный ðåçóëüòàò представляетсÿ обнадеживающим ñ точки
63
зрения возможности разработки ïðàêтическîãî óстройства äëÿ неинва-
зивного анализа è êонтроля степени гидратàöèè роговицы è склеры. Ïðè
ýòîì â êàчестве детектора â òàêîì óстройстве ìîæåò áûòü использован
исследуåìûé â настоÿùåé работе чувствительный болометр íà эффекте
электронного разогрева. Изменение ñîäåðæàíèÿ âîäû â роговице è ñêëå-
ðå íà ранних ñòадиях течения заболеваний ãëàçà ìîæåò áûòü íà уровне,
доступном äëÿ ðåãèñòðàöèè ëèøü чувствительным ñâåðхпровоäíèêîâûì
детектором.
64
Заключение
 монографии представлены следующие íàучные ðåçóëüòàòû:
1. Исследована оптическàÿ эквивалентная мощность øóìà детектор-
íîé системы íà основе èíòåãðированного ñ антенной терагерцового
NbN болометра íà эффекте электронного ðàçîãðåâà, изготовлен-
íîãî ïî оптимизированной технологии. Èññëåäована зависимость
эквивалентной мощности øóìà детектора îò размеров åãî чувстви-
тельного элементà. Äëÿ детектора ñ оптимизированными размера-
ìè чувствительного элементà наилучшее полученное çíàчение ýê-
вивалентной мощности øóìà ñîñòавило
2, 0 × 10
частоте излучения 2,5 ÒÃö.
2. Проведено ïðÿìîå èçìåðåíèå энергетическîãî разрешения детек-
торной системы íà основе интегрированного ñ антенной NbN áîëî-
метра íà эффекте электронного разогрева, изготовленного ïî îï-
−13
Âò·Ãö
−0,5
íà
тимизированной технологии. Данные измерений ïîдтверäèëè ðàñ-
÷¼òû энергетическîãî разрешения, основанные íà ýêспериментàëü-
íûõ äанных îá эквивалентной мощности øóìà è постоянной âðå-
ìåíè детектора, полученных â äâóõ различных ýêспериìåíòàõ.
3. Ðазработàíà ìîäåëü áîëîìåòðà, позволяющая учесть íåîднороä-
ность разогрева åãî чувствительного элементà, íàõîдящегосÿ â ðå-
зистивной состоÿíèè, ïîä действием тепловой мощности òîêà ñìå-
щения è мощности падающего излучения. Ñ помощью разработàí-
íîé ìîäåëè исследовано âëияние вклада данной íåîднородности íà
âîëüò - ваттную чувствительность, эквивалентную мощность øóìà
è энергетическîå разрешение детектора ïðè ðàçëичных размерах
åãî чувствительного элементà.
4. Ýêспериментально ïðîдемонстрирована возможность регистрации
ñ ðåêîðäíûì временным разрешением èìïóльсов терагерцового èç-
лучения наносекундной длительности, сгенерированных â нелиней-
íîé оптическîé среде ìåòîäîì оптическîãî âûïðямления è ìåòîäîì
генерации íà разностной частоте, ñ помощью детекторной системы
íà основе NbN áîëîìåòðà íà эффекте электронного разогрева.
65
5. Ðазработàíû ìåòîäû определения степени гидратàöèè наружных
оболочек ãëàçà (роговицы è склеры) ñ использованием òåðàãåðöî-
âîãî излучения, исследована зависимость êоэффициентà отражå-
íèÿ наружных оболочек ãëàçà îò процентного ñîäåðæàíèÿ â íèõ
âîäû ïî массе.
Дальнейшая работà áóäåò направлена íà исследование других ñâåðõ-
провоäíèêîâ â êàчестве материалов äëÿ болометров. Â частности, ïåð-
спективным êàæåòñÿ использованиå TiN, время релаксации â êотором
меняетсÿ îò 5,5 íñ äî 88 íñ ïðè изменение критическîé температуры
пленки îò 4,2 Ê äî 1,7 Ê [102]. Планируåòñÿ изготовление образцов äå-
текторов íà основе этого ìатериàëà è измерение èõ энергетическîãî ðàç-
решения. Ïðè ýòîì çà ñ÷åò большего çíàчения постоянной времени áóäåò
получен ñóщественный выигрыш â чувствительности, ÷òî, ïî оценочным
расчетàì, позволит регистрировать îдиночные фотоны ближнего инфра-
красного äèàпазона. Данные îднофотонные детекторы áóäåò âûãîäíî
îòличатьсÿ îò ñòандартных ñâåðхпровоäíèêîâûõ îднофотонных детек-
торов (
áîòêîé è исследованием êоторых занимаетсÿ îòдельная íàучная группа
Учебно - íàучного радиофизическîãî центра, à òàêæå многие другие âå-
дущие íàучные лаборатории, ïîñêольку последние работàþò фактически
ëèøü â режиме ñ÷¼òà фотонов, òîãäà êàê планируåìûå детекторы áóäóò
обладать помимо этого энергетическиì разрешением.
нотехнологии, созданной сотруäíèêàìè è аспирантàìè Учебно - íàó÷íî-
ãî радиофизическîãî центра ÌÏÃÓ, основываясь íà ðåçóëüòàòàõ данного
исследования, провоäèòñÿ разработкà оптимизированных терагерцовых
èìïóльсных детекторных систем, включающих â ñåáÿ îхлаждающее îáî-
ðóдование, обеспечивающее достижåíèå íåîáõîдимых äëÿ работы ñâåðõ-
провоäíèêîâûõ детекторов криогенных температур: заливного гелиевого
криостàòà èëè ðåôðèæератора замкнутого цикла.
àíãë.
 настоÿùåå время íà áàçå êомпаниè ÇÀÎ Ñâåðхпровоäíèêîâûå íà-
Публикàöèÿ выполнена ïðè ïîääåðæêå грантà ÐÍÔ 17-72-30036
superconducting single photon detector SSPD) [103], разра-
66
Литература
1. Смеситель миллиìетрового è субмиллиметрового диапазонов âîëí
íà основе разогрева электронов â резистивном состоÿíèè ñâåðõ-
провоäíèêîâûõ пленок / Ì.Ãершензон, Ã.Ãольцман, È.Ãогидзе,
Þ.Ãóñåâ, А.Елантьев, Б.Карасик, À.Ëþëüêèí, А.Семенов //
ÑÔÕÒ
2.
Semenov A. D.and Gol'tsman G. N., Sobolewski R.
eect in superconductors and its applications for radiation sensors //
Superconductor Science and Technology
P. R1.
3. Энциклопедия физики è техники. Москва, 1989.
4.
Shklovskij V. A.
of Low Temperature Physics
5.
Ridley B. K.
(1933-)
6. Ðазогрев квазичастиц â ñâåðхпроводящей пленкå, íàõîдящейсÿ
â резистивном состоÿíèè / Å.Ì.Ãершензон, Ì.Å.Ãершензон,
Ã.Í.Ãольцман, А.Д.Семенов, А.В.Сергеев //
. 1990. Ò. 3, NIO (часть 1). Ñ. 21432160.
. 2002. Vol. 15, no. 4.
Hot electrons in metals at low temperatures //
. 1980. Vol. 41, no. 3-4. Pp. 375396.
Hot electrons in semiconductors //
. 1986. Pp. 425459.
Science Progress
Ïèñüìà â Журнал
Hot-electron
Journal
экспериментальной è теоретической физики
5. Ñ. 281285.
7. Nonselective eect of electromagnetic radiation on a superconducting
lm in the resistive state / E. M. Gershenzon, M. E. Gershenzon,
G. N. Goltsman, A. D. Semenov, A. V. Sergeev //
Vol. 36, no. 7.
8. Heating of electrons in a superconductor in the resistive state by
electromagnetic radiation / E. M. Gershenzon, M. E. Gershenzon,
G. N. Goltsman, A. D. Semyonov, A. V. Sergeyev //
Fiz.
1984. Vol. 86. Pp. 758773.
67
. 1981. Ò. 34,
JETP Lett.
Zh. Eksp. Teor.
1982.
9. Intense electromagnetic radiation heating of superconductor electrons
in resistive state / E. M. Gershenzon, G. N. Goltsman, A. I. Elant'ev,
B. S. Karasik, S. E. Potoskuev //
10. Electromagnetic radiation mixer based on electron heating in resistive
state of superconductive Nb and YBaCuO lms / E. M. Gershenzon,
G. G. Goltsman, Y. P. Gousev, A. I. Elantiev, A. D. Semenov //
Magnetics, IEEE Transactions on
Pp. 13171320.
11.
Wellstood F. C., Urbina C., Clarke J.
Physical Review B
12. Diusion cooling mechanism in a hot-electron NbC microbolometer
mixer / B. S. Karasik, K. S. Il'in, E. V. Pechen,
S. I. Krasnosvobodtsev //
no. 16. Pp. 22852287.
13. Large bandwidth and low noise in a diusion-cooled hot-electron
bolometer mixer / A. Skalare, W. R. McGrath, B. Bumble, H. G. LeDuc,
. 1994. Vol. 49, no. 9. P. 5942.
Applied physics letters
Fiz. Nizk. Temp.
. 1991. Vol. 27, no. 2.
Hot-electron eects in metals //
1988.
. 1996. Vol. 68,
P. J. Burke, A. A. Verheijen, D. E. Prober //
1996. Vol. 68, no. 11. Pp. 15581560.
14. Resistive behaviour of Nb diusion-cooled hot electron bolometers /
D. W. Floet, J. A. Baselmans, J. R. Gao, T. M. Klapwijk. Vol. 1
of
Ninth International Symposium on Space Terahertz Technology
1998. March. P. 63.
15. Noise and bandwidth measurements of diusion-cooled Nb hot-electron
bolometer mixers at frequencies above the superconductive energy gap /
R. A. Wyss, B. S. Karasik, W. R. McGrath, B. Bumble, H. LeDuc.
Proc. of the 10th Int. Symp. On Space THz Technology. 1999.
March.
16. Stabilization scheme for hot-electron bolometer receivers using
microwave radiation / S. Ryabchun, C. Y. E. Tong, R. Blundell,
G. Goltsman //
Applied Superconductivity, IEEE Transactions on
Applied physics letters
.
.
.
2009. Vol. 19, no. 1. Pp. 1419.
17. Input bandwidth of hot electron bolometer with spiral antenna /
A. Shurakov, S. Seliverstov, N. Kaurova, M. Finkel, B. Voronov,
68
G. Goltsman //
on
. 2012. Vol. 2, no. 4. Pp. 400405.
18.
Filipovic D. F., Gearhart S. S., Rebeiz G. M.
on extended hemispherical and elliptical silicon dielectric lenses //
Terahertz Science and Technology, IEEE Transactions
Double-slot antennas
Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on
Vol. 41, no. 10. Pp. 17381749.
19. Terahertz performance of integrated lens antennas with a hot-electron
bolometer / A. D. Semenov, H. Richter, H. W. Hubers, B. Gunther,
A. Smirnov, K. S. Il'in, M. Siegel, J. P. Karamarkovic //
Theory and Techniques, IEEE Transactions on
no. 2. Pp. 239247.
20.
Lineld E.
Photonics
21.
Siegel P. H.
Symposium Digest
22. Characterization of Crystalline Phase-Transformations in Theophylline
by Time?Domain Terahertz Spectroscopy / P. C. Upadhya,
Terahertz applications: a source of fresh hope //
. 2007. Vol. 1, no. 5. Pp. 257258.
Terahertz technology in biology and medicine //
. 2004. Vol. 3. Pp. 15751578.
. 2007. Vol. 55,
. 1993.
Microwave
Nature
Microwave
K. L. Nguyen, Y. C. Shen, J. Obradovic, K. Fukushige, R. Griths,
E. H. Lineld //
Pp. 215224.
23. Terahertz pulse imaging in reection geometry of human skin cancer and
skin tissue / R. M. Woodward, B. E. Cole, V. P. Wallace, R. J. Pye,
D. D. Arnone, E. H. Lineld, M. Pepper //
biology
24. Широкîдиапазонный ñïåêтрометр высокîãî разрешения ÒÃö
частотного диапазона / В.А.Анфертьев, С.В.Селиверстов,
Â.Ë.Âàêñ, И.В.Пентин, Ã.Í.Ãольцман, Ì.È.Ôèíêåëü, С.А.Рябчун,
И.В.Третьякîâ //
Í.È. Ëîáачевского
25. Study of transmittance and reectance spectra of the cornea and the
sclera in the THz frequency range / E. N. Iomdina, G. N. Goltsman,
. 2002. Vol. 47, no. 21. P. 3853.
Spectroscopy letters
Вестник Нижегородского университета èì.
. 2014. Ò. 1, 3. Ñ. 126131.
. 2006. Vol. 39, no. 3.
Physics in medicine and
S. V. Seliverstov, A. A. Sianosyan, K. O. Teplyakova, A. A. Rusova //
69
Journal of Biomedical Optics
097002.
26. Terahertz sensing of corneal hydration / R. S. Singh, P. Tewari,
J. L. Bourges, J. P. Hubschman, D. B. Bennett, Z. D. Taylor,
M. O. Culjat. 2010 Annual International Conference of the IEEE
Engineering in Medicine and Biology. 2010. August.
27.
Dougherty J. P., Jubic G. D., Kiser Jr W. L.
burned tissue. Integrated Optoelectronic Devices. International
Society for Optics and Photonics, 2007. Pp. 64720N64720N.
28. Terahertz pulsed imaging of basal cell carcinoma ex vivo and in vivo /
V. P. Wallace, A. J. Fitzgerald, S. Shankar, N. Flanagan, R. Pye,
. 2016. Vol. 21, no. 9. Pp. 097002
Terahertz imaging of
J. Clu, D. D. Arnone //
Vol. 151, no. 2. Pp. 424432.
29. Sensing with Terahertz Radiation / Ed. by D. Mittleman. Springer,
2013. Vol. 85.
30. Terahertz sensing in corneal tissues / D. B. Bennett, Z. D. Taylor,
P. Tewari, R. S. Singh, M. O. Culjat, W. S. Grundfest, E. R. Brown //
Journal of biomedical optics
057003.
31. THz and mm-wave sensing of corneal tissue water content: In vivo
sensing and imaging results / Z. D. Taylor, J. Garritano, S. Sung,
N. Bajwa, D. B. Bennett, B. Nowroozi, E. R. Brown //
transactions on terahertz science and technology
no. 2. Pp. 184196.
British Journal of Dermatology
. 2011. Vol. 16, no. 5. Pp. 057003
. 2015. Vol. 5,
. 2004.
IEEE
32.
Б.Н.Морозов, Þ.Ì.Àйвазян
åãî примемения (обзор) //
1. Ñ. 533.
33.
В.В.Слабко
росовский îáðазовательный журнал
34. Far-infrared time-domain spectroscopy with terahertz beams of
dielectrics and semiconductors / D. Grischkowsky, S. Keiding,
. Нелинейно-оптические преобрàçîвания частот //
. Эффект оптическîãî âûïðямления è
Квантовая ýлектроника
. 1999. Ò. 5. Ñ. 105111.
70
. 1980. Ò. 7,
Ñî-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]