Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6653
(13) U
(46) 2010.10.30
(51) МПК (2009)
G 01J 5/00
(54) УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ
(21) Номер заявки: u 20100138
(22) 2010.02.15
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Национальной
академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Есман Александр Константи-
нович; Кулешов Владимир Констан-
тинович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физи-
ки имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(57)
1. Устройство регистрации ИК-излучения, содержащее объектив, оптически связан-
ный с матрицей преобразующих элементов, расположенной на диэлектрическом основа-
нии, объединенных по строкам и столбцам волноводами, причем волноводы строк
оптически связаны с линейкой фотоприемников, а волноводы столбцов - с соответствую-
щими элементами излучения линейки лазеров, каждый из которых имеет свою частоту
излучения, совпадающую с собственной резонансной частотой преобразующего элемента
соответствующего столбца, блок обработки информации, электрически подключенный к
линейке лазеров и линейке фотоприемников, термостат, приведенный в тепловой контакт
с матрицей преобразующих элементов, отличающееся тем, что преобразующий элемент
Фиг. 1
BY6653U2010.10.30

2. BY 6653 U 2010.10.30
2
выполнен в виде диэлектрического микрокольцевого резонатора, нижняя и верхняя по-
верхность которого покрыта буферным слоем, на верхнем буферном слое расположена
структура, поглощающая ИК-излучение, содержащая диэлектрическую мембрану, внутри
которой сформированы металлдиэлектрические наноструктуры, а на внешней поверхности
расположены электрически соединенные напротив внутреннего участка диэлектрического
основания металлические нанорезонаторные элементы и соответствующие тепловые де-
текторы - напротив диэлектрического кольцевого резонатора, при этом длина и ширина
металлических нанорезонаторных элементов и соответствующих тепловых детекторов
выбраны равными или кратными длинам волн регистрируемого спектрального диапазона,
сверху на тепловых детекторах и металлических нанорезонаторных элементах расположе-
на ортогональная дифракционная решетка.
2. Устройство регистрации ИК-излучения по п. 1, отличающееся тем, что оптическая
толщина диэлектрической мембраны вместе с ортогональной дифракционной решеткой
выполнена соответственно равной ∆1/4, где ∆1 - центральная длина волны регистрируемо-
го излучения в одном из окон прозрачности атмосферы.
3. Устройство регистрации ИК-излучения по п. 1, отличающееся тем, что размеры
поперечного сечения диэлектрических микрокольцевых резонаторов не превышают 1/3
длины волны излучения соответствующего элемента линейки лазеров.
4. Устройство регистрации ИК-излучения по п. 1, отличающееся тем, что металличе-
ские нанорезонаторные элементы вместе с тепловыми детекторами выполнены в виде
треугольных форм, обеспечивающих максимально плотное покрытие всей поверхности
структуры, поглощающей инфракрасное излучение.
5. Устройство регистрации ИК-излучения по п. 1, отличающееся тем, что поверхность
ортогональных дифракционных решеток представляет собой набор штрихов, расположенных
по двум взаимно перпендикулярным направлениям с минимальными пространственными
периодами T1 и T2, заданными соответственно выражениями:
T1 = ∆1 и T2 = ∆2,
где ∆1 и ∆2 - длины волн электромагнитного излучения, распространяющегося параллель-
но поверхности структуры, поглощающей ИК-излучение.
(56)
1. Арутюнов В.А., Васильев И.С., Иванов В.Г. и др. Перспективы разработок моно-
литных охлаждаемых матричных ИК-приборов для комплексированных многоспект-
ральных систем обнаружения в диапазоне 1,5-5 и 8-12 мкм.
2. Патент РБ 10398. 2008 (прототип).
3. Парос О., Сычугов В.А., Тихомиров А.Е. и др. Оптимизация решеточного узла
ввода-вывода излучения из тонкопленочного волновода, сформированного на кремниевой
подложке // Квантовая электроника. - 1994. - Т. 21. - № 11. - С. 1089-1092.
Полезная модель относится к области интегральной оптики и может быть использова-
на в системах обнаружения объектов, измерения распределения температуры, для визуа-
лизации ИК-изображений широкого спектрального диапазона и т.д.
Известно устройство преобразования ИК-изображений в видеосигнал [1], которое со-
стоит из объектива, оптически связанного с фоточувствительным прибором с зарядовой
связью (фотоматрицей ПЗС-элементов с барьерами Шоттки), соединенным с холодильни-
ком и подключенным к блоку аналоговой обработки, который связан с блоком аналого-
цифрового преобразования, последний соединен с блоком цифровой обработки, который
связан с цифро-аналоговым преобразователем, причем элементы устройства, кроме объек-
тива и холодильника, соединены с блоком управления.

3. BY 6653 U 2010.10.30
3
Данное устройство имеет низкие помехозащищенность и чувствительность.
Наиболее близким по технической сущности является устройство преобразования ИК-
изображений в видеосигнал [2], содержащее линейку фотоприемников, линейку лазеров,
блок обработки информации, термостат, объектив, оптически связанный с матрицей пре-
образующих элементов, которые выполнены на основе микродисковых резонаторов, объ-
единенных по строкам и столбцам волноводами, причем входы волноводов столбцов
оптически связаны с соответствующими элементами излучения линейки лазеров, каждый
из которых имеет свою частоту излучения, собственные резонансные частоты микродис-
ковых резонаторов каждого столбца равны частоте излучения соответствующего элемента
излучения линейки лазеров, а волноводы строк оптически соединены с линейкой фото-
приемников, электрически подключенной к блоку обработки информации, электрически
соединенному с линейкой лазеров, при этом матрица микродисковых резонаторов имеет
тепловой контакт с термостатом.
Устройство не обеспечивает стабильного значения чувствительности на разных дли-
нах волн во всем спектральном диапазоне регистрируемого излучения из-за разных значе-
ний коэффициентов отражения отдельных длин электромагнитных волн на входе.
Техническая задача - повышение чувствительности с одновременным обеспечением ее
стабильности во всем спектральном диапазоне регистрируемого излучения.
Поставленная техническая задача достигается тем, что устройство, содержащее объек-
тив, оптически связанный с матрицей преобразующих элементов, расположенной на ди-
электрическом основании, объединенных по строкам и столбцам волноводами, причем
волноводы строк оптически связаны с линейкой фотоприемников, а волноводы столбцов -
с соответствующими элементами излучения линейки лазеров, каждый из которых имеет
свою частоту излучения, совпадающую с собственной резонансной частотой преобразу-
ющего элемента соответствующего столбца, блок обработки информации, электрически
подключенный к линейке лазеров и линейке фотоприемников, термостат, приведенный в
тепловой контакт с матрицей преобразующих элементов, преобразующий элемент выпол-
нен в виде диэлектрического микрокольцевого резонатора, нижняя и верхняя поверхность
которого покрыта буферным слоем, на верхнем буферном слое расположена структура,
поглощающая ИК-излучение, содержащая диэлектрическую мембрану, внутри которой
сформированы металл-диэлектрические наноструктуры, а на внешней поверхности распо-
ложены электрически соединенные напротив внутреннего участка диэлектрического основа-
ния металлические нанорезонаторные элементы и соответствующие тепловые детекторы -
напротив диэлектрического кольцевого резонатора, при этом длина и ширина металличе-
ских нанорезонаторных элементов и соответствующих тепловых детекторов выбраны
равными или кратными длинам волн регистрируемого спектрального диапазона, сверху на
тепловых детекторах и металлических нанорезонаторных элементах расположена ортого-
нальная дифракционная решетка.
Для эффективного решения поставленной технической задачи оптическая толщина
диэлектрической мембраны вместе с ортогональной дифракционной решеткой выполнена
соответственно равной ∆1/4, где ∆1 - центральная длина волны регистрируемого излучения
в одном из окон прозрачности атмосферы.
Для эффективного решения поставленной технической задачи размеры поперечного
сечения диэлектрических микрокольцевых резонаторов не превышают 1/3 длины волны
излучения соответствующего элемента линейки лазеров.
Для эффективного решения поставленной технической задачи металлические наноре-
зонаторные элементы вместе с тепловыми детекторами выполнены в виде треугольных
форм, обеспечивающих максимально плотное покрытие всей поверхности структуры, по-
глощающей инфракрасное излучение.
Для эффективного решения поставленной технической задачи поверхность ортого-
нальных дифракционных решеток представляет собой набор штрихов, расположенных по

4. BY 6653 U 2010.10.30
4
двум взаимно перпендикулярным направлениям с минимальными пространственными пе-
риодами соответственно T1 и T2, заданными выражениями:
T1 = ∆1 и T2 = ∆2,
где ∆1 и ∆2 - длины волн электромагнитного излучения, распространяющегося параллель-
но поверхности структуры, поглощающей ИК-излучение.
Совокупность указанных признаков в предлагаемой полезной модели позволяет до-
стичь одинаковую максимально возможную чувствительность во всем частотном диапа-
зоне регистрируемого излучения за счет сохранения высокого значения коэффициента
поглощения на всех длинах волн спектрального диапазона регистрируемого излучения.
Сущность поясняется фиг. 1, на которой приведена структурная схема устройства,
фиг. 2, на которой представлен вид сверху на преобразующий элемент, и фиг. 3, на кото-
рой представлен разрез преобразующего элемента.
В устройстве регистрации ИК-излучения (фиг. 1) объектив 1 оптически связан с мат-
рицей преобразующих элементов 3, расположенной на диэлектрическом основании 2, и
проецирует на нее регистрируемое инфракрасное излучение. Каждый элемент излучения
линейки лазеров 4 оптически соединен через волноводы столбцов 5 с соответствующими
преобразующими элементами 10. Преобразующий элемент 10 представляет собой диэлект-
рический микрокольцевой резонатор 11, нижняя и верхняя поверхность которого покрыта
нижним 13 и верхним 12 буферными слоями, на верхнем буферном слое 12 расположена
структура, поглощающая ИК-излучение 14, содержащая диэлектрическую мембрану 15,
внутри которой сформированы металл-диэлектрические наноструктуры 16, а на внешней
поверхности расположены электрически соединенные напротив внутреннего участка ди-
электрического основания 2 металлические нанорезонаторные элементы 17 и соответствую-
щие тепловые детекторы 18 напротив диэлектрического микрокольцевого резонатора 11,
при этом длина и ширина металлических нанорезонаторных элементов 17 и соответству-
ющих тепловых детекторов 18 выбраны равными или кратными длинам волн регистриру-
емого спектрального диапазона. Сверху структуры, поглощающей ИК-излучение 14,
расположена ортогональная дифракционная решетка 19.
В конкретном исполнении объектив 1 - это набор линз из германия. Преобразующий
элемент 10 матрицы 3 представляет собой диэлектрический микрокольцевой резонатор 11,
выполнен по интегральной технологии из высокоомного Si и расположен между нижним 13 и
верхним 12 буферными слоями, выполненными из SiO2 толщиной 0,5 мкм, при этом на
верхнем 12 буферном слое методами интегральной технологии выполнена диэлектриче-
ская мембрана 15 из окиси кремния, в которой методом регулируемого электроннолучевого
испарения окиси кремния и никеля выполнена металл-диэлектрическая наноструктура 16.
Размеры частиц никеля (10 нм) заданы температурным режимом испарения. На верхней
поверхности диэлектрической мембраны 15 методами вакуумного напыления и фотолито-
графии напротив внутреннего участка диэлектрического основания 2 нанесены металли-
ческие нанорезонаторные элементы 17 из никеля толщиной 50 нм и соответственно
напротив диэлектрических микрокольцевых резонаторов 11 - тепловые детекторы 18 из
нихрома толщиной 60 нм. Ортогональные дифракционные решетки 19 выполнены мето-
дом фотолитографического плазмохимического травления слоя окиси кремния, который
предварительно был нанесен по вакуумной технологии. Линейка лазеров 4 - это набор
полупроводниковых лазеров с распределенной обратной связью, генерирующих набор
длин волн в диапазоне от 1,3 мкм до 1,51 мкм, соответствующих рабочему спектральному
диапазону частот линейки фотоприемников 7. Волноводы столбцов 5 и строк 6 - это опти-
ческие планарные волноводы шириной 0,8 мкм из Si, выполненные по интегральной тех-
нологии аналогично диэлектрическим микрокольцевым резонаторам 11. Длины участков
оптического взаимодействия волноводов столбцов 5 и диэлектрических микрокольцевых
резонаторов 11 определяют коэффициенты ответвления излучения в них. Расположение вол-
новодов столбцов 5 и волноводов строк 6 выбирается из условия эффективного экраниро-

5. BY 6653 U 2010.10.30
5
вания линеек лазеров 4 и фотоприемников 7. Линейка фотоприемников 7 выполнена по
стандартной технологии. Волноводы строк 6 выполнены сужающимися в местах ввода из-
лучения в линейку фотоприемников 7 [3]. Термостат 8 выполнен аналогично блоку термо-
стабилизации задающего кварцевого генератора в частотомере и имеет аналогичное
назначение. Блок обработки информации 9 - это набор серийно выпускаемых линейных и
цифровых схем.
Работает устройство следующим образом (фиг. 1, 2, 3). В линейке лазеров 4 включает-
ся первый элемент (все элементы излучения линейки лазеров 4 имеют различные частоты
излучения, используемого для считывания информации), и его излучение с длиной волны,
например, λ1 = 1,3 мкм поступает в волновод 5 первого столбца матрицы преобразующих
элементов 3. Тем самым, в каждый из диэлектрических микрокольцевых резонаторов 11
первого столбца, имеющих собственную резонансную частоту, соответствующую частоте
излучения этого элемента, поступает мощность оптического сигнала, равная P1×ki, где P1 -
выходная мощность первого элемента из линейки лазеров 3, а ki - коэффициенты ответв-
ления лазерного излучения, задаваемые длиной участков оптического взаимодействия
волновода 5 первого столбца с диэлектрическими микрокольцевыми резонатороми 11,
принадлежащих этому столбцу, где i = 1…m, а m - число столбцов устройства. Так как ре-
зонансные частоты диэлектрических микрокольцевых резонаторов 11 каждого столбца
отличаются друг от друга, то сигналы первого столбца по волноводам строк 6 без ответв-
лений поступают на линейку фотоприемников 7 и затем, преобразованные в соответству-
ющие электрические сигналы, в блок обработки информации 9. После этого включается
второй элемент линейки лазеров 4 с излучением на длине волны λ2, отличающейся от λ1, и
все происходит аналогично, как описано выше. Точно так же все остальные элементы ли-
нейки лазеров 4 включаются последовательно друг за другом. В результате в блоке обра-
ботки информации 9 сформируется видеосигнал, содержащий информацию о разбросе
параметров всех преобразующих элементов 10 и о температурном фоне. Затем через объ-
ектив 1 на поверхность матрицы преобразующих элементов 3 поступает регистрируемое
ИК-излучение, спектральный диапазон которого находится в пределах от 2 мкм до Li max,
где Li max - максимальный из линейных размеров металлических нанорезонаторных
элементов 17. Весь этот спектр регистрируемого ИК-излучения поступает на поверхность
ортогональных дифракционных решеток 19 и взаимодействует с их двумерной периоди-
ческой структурой. При этом регистрируемое электромагнитное излучение с длинами
волн в окрестности ∆1 отклоняется и распространяется по первому направлению I вдоль
поверхности металлических нанорезонаторных элементов 17, эффективно поглощаясь ими.
Аналогично регистрируемое излучение с длинами волн в окрестности ∆2 распространяет-
ся по второму направлению II вдоль поверхности металлических нанорезонаторных эле-
ментов 17, эффективно поглощаясь ими. А регистрируемое электромагнитное излучение с
длинами волн, отличающимися от ∆1 и ∆2, распространяется внутрь структуры, поглоща-
ющей ИК-излучение 14. Так как общая оптическая толщина ортогональных дифракцион-
ных решеток 19 и диэлектрической мембраны 15 равна ∆0/4, то часть регистрируемого
электромагнитного излучения с длинами волн в окрестности ∆0, отражаясь от металл-
диэлектрической наноструктуры 16, интерферирует в противофазе с излучением, отра-
зившимся от поверхности структуры, поглощающей ИК-излучение 14. В результате элек-
тромагнитное излучение на длине волны в окрестности ∆0 практически не отражается от
преобразующих элементов 10. В процессе рассмотренного поглощения регистрируемого
ИК-излучения в металлических нанорезонаторных элементах 17 возникают переменные
электрические поля соответствующих частот, вызывающих движение электрических зарядов
через тепловые детекторы 18, вследствие чего происходит нагревание тепловых детекто-
ров 18. Изменение температуры тепловых детекторов 18, при указанных геометрических
размерах элементов устройства, за единицы милисекунд эффективно передается через ди-
электрическую мембрану 15 и тонкие верхние буферные слои 12 в диэлектрические мик-

6. BY 6653 U 2010.10.30
6
рокольцевые резонаторы 11. Нагревание последних приводит к изменению их линейных
размеров и оптической длины. Следовательно, светопропускание каждого диэлектриче-
ского микрокольцевого резонатора 11 изменится пропорционально падающей на него
интенсивности регистрируемого излучения. После аналогичного сканирования всей мат-
рицы преобразующих элементов 3 в блоке обработки информации 9 получим видеосиг-
нал, содержащий информацию о разбросе параметров всех преобразующих элементов 10,
температурном фоне и распределении интенсивности регистрируемого ИК-излучения.
После обработки обоих видеосигналов в блоке 9 получаем видеосигнал, содержащий
только информацию о распределении интенсивности регистрируемого ИК-излучения. Тер-
мостат 7 поддерживает работу устройства в линейном режиме.
В предлагаемой полезной модели достигается одинаковая максимально возможная
чувствительность во всем частотном диапазоне регистрируемого излучения за счет сохра-
нения высокого значения коэффициента поглощения на всех длинах волн этого спек-
трального диапазона.
Фиг. 2 Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.