Оптоэлектронное устройство

Оптоэлектронное устройство

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к устройствам для преобразования импульсного оптического излучения в импульсный электрический сигнал соответствующей длительности и формы. Оно может быть использовано для создания одиночных или серии ультракоротких электрических импульсов, регистрации формы импульса оптического излучения и измерения его мощности.

Известно устройство для преобразования импульса оптического излучения в электрический, состоящее из электрической схемы с лавинным фотодиодом, имеющим высокую чувствительность к свету с определенной длиной волны и обладающим внутренним усилением [И.Д.Анисимова, И.М.Никулин, Ф.А.Заитов, Ш.Д.Курмашев /Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 с., ил.].

Однако лавинный фотодиод обладает инерционностью (˜ 2 нс), т.е. он не обеспечивает генерации ультракоротких электрических импульсов при облучении его ультракороткими оптическими импульсами, а следовательно, с помощью этого устройства невозможно регистрировать оптические импульсы длительностью менее 1-2 нс. Кроме того, он имеет сложную зависимость спектральной чувствительности, в нем могут возникать темновые токи, и он требует подачи электропитания.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, описанное в способе получения ультракоротких электрических импульсов путем преобразования ультракоротких оптических импульсов, сфокусированных в промежуток между проводящими электродами, расположенными на расстоянии около 10 мкм и нанесенными на пластину из нелинейно-оптического кристалла (например, тантал лития или ниобат лития) [Патент US 4972069, Н 03 К 17/78].

Однако такое устройство сложно в изготовлении и требует обязательного наличия специальных средств фокусировки и точного наведения оптического излучения в зазор между двумя электродами, имеющий весьма малый размер. Кроме того, хорошо известно, что в нелинейно-оптических кристаллах типа ниобата лития возможно возникновение побочных эффектов, таких, как пьезоэффект, эффект наведения оптических неоднородностей, фотопроводимость и др., маскирующих или искажающих сигнал оптического выпрямления, для избавления от которых необходимо применение дополнительных мер, а в некоторых случаях избавиться от них невозможно.

Задача изобретения - получение более простого, чувствительного, способного работать в более широком диапазоне длин волн света оптоэлектронного устройства для генерации ультракоротких электрических импульсов, регистрации формы и измерения мощности импульсов оптического излучения.

Поставленная задача решается тем, что преобразователь света выполнен в виде пленки из углеродного материала, обладающего свойством оптического выпрямления, поверхность которой расположена наклонно к падающему пучку от источника света, и дополнительно снабжен устройством для измерения амплитуды, формы и длительности электрического напряжения.

Возможно выполнение преобразователя света в виде пленки, нанесенной на подложку с электропроводностью, существенно более низкой, чем электропроводность материала пленки.

Возможно расположение электродов между углеродной пленкой и подложкой.

Электроды могут быть выполнены в виде линейных электрических проводников, расположенных параллельно друг другу и перпендикулярно к плоскости падения света.

Возможно дополнительное снабжение устройства оптическим устройством для преобразования излучения источника ультракоротких импульсов в линейно поляризованное излучение в плоскости, перпендикулярной к плоскости пленки, и размещенное между источником и преобразователем света.

Возможно дополнительное снабжение устройства расширителем пучка, размещенным между источником ультракоротких импульсов и преобразователем света.

Техническим результатом является упрощение и получение чувствительного, работающего в широком диапазоне длин волн света оптоэлектронного устройства, предназначенного для генерации ультракоротких электрических импульсов, регистрации формы и измерения мощности импульсов оптического излучения.

Краткое описание фигур

Фиг.1 показывает общий вид оптоэлектронного устройства согласно пункту 1 изобретения. 1 - источник света; 2 - электроды; 3 - углеродная пленка; 4 - подложка; 5 - устройство для измерения амплитуды, формы и длительности импульсов электрического напряжения. ON - нормаль к поверхности пленки; α - угол падения оптического излучения; β - угол поворота вокруг нормали к поверхности. Углы β=0 и 180° соответствуют положению электродов 2 перпендикулярно к плоскости падения (плоскости чертежа на фиг.1);

Фиг.2 - пример выполнения оптоэлектронного устройства для генерации ультракоротких электрических импульсов. 1 - источник света; 2 - электроды; 3 - углеродная пленка; 4 - подложка; 6 - дополнительное устройство для преобразования света от источника в линейно поляризованное оптическое излучение; 7 - расширитель пучка излучения от источника света; 8 - дополнительный электрод; ON - нормаль к поверхности пленки; α - угол падения оптического излучения; β - угол поворота вокруг нормали к поверхности.

Фиг.3 показывает зависимость амплитуды электрического сигнала оптического выпрямления (U), возникающего между крайними электродами, от угла падения α оптического излучения на поверхность преобразователя света для р- и s-поляризованного излучения (р-, s-поляризация - это поляризация излучения, вектор напряженности электрического поля которого лежит в плоскости падения и в плоскости, перпендикулярной плоскости падения соответственно).

Фиг.4 показывает зависимость величины U от угла поворота β исследуемой пленки вокруг ее нормальной оси ON.

Фиг.5 показывает зависимости U от импульсной энергии W лазерного излучения p-поляризации для α=+50°, β=0 (1) и α=-50°, β=0 (2).

Фиг.6 показывает зависимость спектральной чувствительности оптоэлектронного устройства от длины волны, нормированную по отношению к чувствительности на длине волны 1.064 мкм.

Раскрытие изобретения

Оптоэлектронное устройство (фиг.1) состоит из источника ультракоротких лазерных импульсов 1; преобразователя света, выполненного в виде проводящей углеродной пленки 3, обладающей свойством оптического выпрямления, нанесенной на подложку 4; двух проводящих электродов 2, имеющих электрический контакт с поверхностью пленки; устройства для измерения амплитуды, формы и длительности электрического напряжения.

Подложка 4 изготавливается из материала, имеющего существенно более низкую электропроводность по сравнению с углеродной пленкой. Устройство может дополнительно содержать (фиг.2) оптическое устройство преобразования излучения источника ультракоротких импульсов в p-поляризованное излучение 6; расширитель пучка света 7 и иметь один или более дополнительных электродов 8, расположенных между двумя другими электродами и параллельно им. Электроды 2 могут быть выполнены из любого хорошо проводящего материала, например, в виде проводящей металлической пленки, а также могут быть размещены между преобразователем света и подложкой.

Оптоэлектронное устройство работает следующим образом.

Пучок импульсного оптического излучения (фиг.1) от источника ультракоротких импульсов 1 попадает на преобразователь света 3 по данному изобретению, выполненный в виде углеродной пленки. При этом угол падения пучка света на поверхность пленки α отличен от нуля. Импульсное оптическое излучение наводит статическую нелинейную поляризацию, определяемую квадрупольным вкладом квадратичной нелинейной восприимчивости углеродной пленки. Время релаксации электронной поляризуемости, ответственной за эффект оптического выпрямления, составляет порядка 10^-15 секунд. В результате между электродами 2 возникает разность потенциалов, изменение которой со временем по форме и длительности может повторять импульс оптического излучения при выполнении условия τ≫d·tgα/с, где τ - длительность импульса излучения источника света, d - диаметр пучка оптического излучения, с - скорость света. Амплитуда, форма и длительность электрического импульса определяются регистрирующим устройством 5 (фиг.1). Все это позволяет генерировать ультракороткие электрические импульсы, а также регистрировать форму и определять мощность импульсов оптического излучения.

Для получения сигнала большей амплитуды излучение источника света проходит через преобразователь поляризации излучения 6 (фиг.2). При этом исходная поляризация излучения преобразуется в линейную, так чтобы вектор напряженности электрического поля находился в плоскости падения пучка на преобразователь света. Преобразователь поляризации излучения, в зависимости от исходной поляризации излучения источника света, может быть выполнен, например, из комбинации фазовых пластинок. Далее свет проходит через расширитель пучка 7, позволяющий полностью освещать неразрывный участок между крайними электродами. Расширитель пучка может быть выполнен, например, в виде телескопа Галилея.

Электроды 2 могут располагаться как на поверхности, так и под углеродной пленкой 3 (фиг.1 и 2). Причем в последнем случае, когда электроды располагаются между углеродной пленкой и подложкой, исключается возможность попадания света на электроды 2. Этим устраняется влияние посторонних эффектов (маскирующих сигнал или искажающих форму импульса оптического выпрямления), возникающих за счет засветки электродов.

Пример осуществления изобретения

Регистрация формы импульса и измерение мощности оптического излучения проводились при следующей конструкции оптоэлектронного устройства. В качестве преобразователя света в электрический сигнал использовалась пленка из углеродного материала, представляющая собой нано-графитную пленку, осажденную на полированную подложку из кремния. Основными структурными элементами такой пленки являются кристаллиты графита, состоящие из нескольких (примерно от 5 до 50) параллельных хорошо упорядоченных атомных слоев. Толщина кристаллитов находится в пределах от 2 до 20 нм, при размерах в других измерениях около 1-3 микрометров. Все кристаллиты имеют преимущественную ориентацию атомных слоев в направлении нормали к поверхности подложки с максимальным отклонением не более ±20 градусов. Расстояние между отдельными кристаллитами составляет около 0,5-1 мкм. Средняя толщина такой нано-углеродной пленки составляет около 3-4 мкм. Эксперименты показали, что свойства таких пленок охватывают все особенности, присущие эффекту оптического выпрямления.

На фиг.3 представлена зависимость электрического сигнала оптического выпрямления (U), возникающего между крайними электродами, от угла наклона α плоскости преобразователя света для р- и s-поляризации. Зависимости для р- и s-поляризации получены при одинаковой мощности оптического излучения. Видно, что пучок света p-поляризации преобразуется в электрический сигнал более эффективно, поэтому целесообразно использовать оптическое излучение такой поляризации. Для этого на пути оптического излучения между источником и преобразователем света устанавливают оптическое устройство преобразования излучения источника ультракоротких импульсов в p-поляризованное излучение.

Из фиг.3 также видно, что при нормальном падении пучка оптического излучения электрический сигнал оптического выпрямления отсутствует. При отклонении пучка от нормального (нулевого значения угла) падения сигнал начинает возрастать, и максимальный сигнал достигается при угле падения, равном ±(50±10) град. При больших углах сигнал постепенно уменьшается.

На фиг.4 представлена зависимость величины U от угла поворота β исследуемой пленки 3 с закрепленными электродами 2 вокруг оси ON, совпадающей с нормалью к поверхности, при фиксированном угле α=+50° и p-поляризации падающего излучения. Углы β=0 и 180° соответствуют положению сторон образца с нанесенными на них электродами 2 перпендикулярно к плоскости падения (плоскости чертежа на фиг.1). Из фиг.4 видно, что вращение преобразователя света с электродами вокруг оси ON приводит к косинусоидальному изменению амплитудного значения импульса оптического выпрямления. Когда электроды 2 расположены в плоскостях, параллельных плоскости падения (β=90, 270°) амплитуда импульса оптического выпрямления принимает нулевое значение. При β=180°, когда крайние электроды меняются местами (фиг.1), сигнал становится отрицательным, а его амплитуда по модулю приблизительно соответствует значению U, полученного при β=0. Таким образом, наибольшая чувствительность устройства достигается при расположении электродов параллельно друг другу и перпендикулярно к плоскости падения оптического излучения на поверхность преобразователя света.

Зависимости U от импульсной энергии W лазерного излучения p-поляризации для двух ориентаций пленки с электродами, соответствующих значениям α=+50°, β=0 и α=-50°, β=0 представлены на фиг.5. Видно, что зависимости U(W) являются линейными. Кроме того, зависимости, полученные при α=+50°, β=0 и α=-50°, β=0, также являются симметричными относительно оси W. Линейная зависимость U(W) позволяет измерять мощность оптического излучения по амплитуде сигнала оптического выпрямления. Амплитуда сигнала оптического выпрямления зависит от мощности, но не зависит от плотности мощности. Поэтому снабжение устройства расширителем пучка, размещенным между источником ультракоротких импульсов и преобразователем света, позволяет уменьшить плотность мощности на поверхности преобразователя света во избежание его повреждения без уменьшения чувствительности оптоэлектронного устройства.

Выполнение оптоэлектронного устройства с одним или более дополнительными электродами позволяет снимать с соседних пар электродов ультракороткие импульсы, сдвинутые по времени друг относительно друга на время Δt=l·sinα/с, где l - расстояние между электродами (см. фиг.2). Эта задержка будет сравнима с длительностью импульса падающего излучения при выполнении условия τ≤d·tgα/c.

При необходимости данное оптоэлектронное устройство может быть использовано для регистрации формы сверхкоротких или ультракоротких оптических импульсов и измерения мощности импульсов оптического излучения. Для этого электроды 2 подключаются к регистрирующему устройству 5, в качестве которого может использоваться, например, осциллограф для регистрации формы импульса или пиковый вольтметр для измерения мощности излучения.

Спектральная чувствительность оптоэлектронного устройства, представленная на фиг.6, возрастает при переходе от инфракрасной к ультрафиолетовой области длин волн. При этом зависимость чувствительности от частоты оптического излучения является линейной. Применение в качестве источника ультракоротких импульсов генератора ультрафиолетового излучения позволяет получать электрические импульсы большей амплитуды при меньших мощностях оптического излучения.

В качестве электродов использовались медные или никелевые пластины, механически прижимаемые к поверхности пленки. Сопротивление постоянному току между электродами, замкнутыми через такую графитную пленку, составляет около 50-300 Ом, а емкость между электродами составляла менее 1 pF. Облучение производили p-поляризованным наносекундным излучением YAG:N³⁺ - лазера так, чтобы электроды находились параллельно друг другу и перпендикулярно плоскости падения оптического излучения. Импульсная энергия оптического излучения доходила до 4 мДж. Регистрация формы импульса производилась с помощью осциллографов С 1-75 и С7-10Б, а измерение амплитуды - с помощью запоминающего осциллографа С8-12.

При размерах пленки 20×20 мм, ширине электродов около 3 мм для длины волны 1.064 мкм чувствительность устройства составляет примерно 500 мВ/МВт при угле падения света около 50 градусов.

Промышленная применимость

Преобразователь импульсного оптического излучения в импульсный электрический сигнал в соответствии с настоящим изобретением представляет собой новый тип оптоэлектронного устройства, которое может быть использовано для детектирования сверхкоротких импульсов света, регистрации их формы и мощности, а также для генерации терагерцового излучения.

Предлагаемая в соответствии с настоящим изобретением конструкция прибора позволяет получить значительно более высокую эффективность преобразования оптического излучения в электрический сигнал или в терагерцовое излучение по сравнению с другими известными приборами данного типа. Оптоэлектронное устройство в соответствии с настоящим изобретением может использоваться для преобразования оптического излучения в электрическое напряжение в широком спектральном диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового.

Высокая эффективность преобразователя сочетается с простотой и дешевизной его изготовления и использования. Оптоэлектронный преобразователь в соответствии с настоящим изобретением может использоваться в устройствах передачи и обработки информации, в различных контрольно-измерительных устройствах, в генераторах терагерцового излучения.

В конструкции преобразователя и при его изготовлении не используются ядовитые и экологически опасные материалы.

Таким образом, предлагаемое оптоэлектронное устройство, в отличие от аналогов, обладает более простой конструкцией и может быть использовано для получения одиночных или серии ультракоротких электрических импульсов. Такое оптоэлектронное устройство практически не обладает инерционностью, поэтому при использовании в качестве источника ультракоротких импульсов фемтосекундного лазера можно получать электрические импульсы терагерцового диапазона частоты. Кроме того, такое устройство может быть использовано для регистрации формы и измерения мощности импульса оптического излучения.

1. Оптоэлектронное устройство для генерации ультракоротких электрических импульсов, регистрации формы и измерения мощности импульсов оптического излучения, состоящее из источника света, преобразователя света в электрический сигнал и двух электродов, расположенных на поверхности преобразователя света по разные стороны от области, освещаемой источником оптического излучения, и имеющих с ним электрический контакт, отличающееся тем, что преобразователь света выполнен в виде пленки из углеродного материала, обладающего свойством оптического выпрямления, поверхность которой расположена наклонно к падающему пучку от источника света, и дополнительно снабжено устройством для измерения амплитуды, формы и длительности импульсов электрического напряжения.

2. Оптоэлектронное устройство по п.1, отличающееся тем, что преобразователь света выполнен в виде пленки, нанесенной на подложку с электропроводностью, существенно более низкой, чем электропроводность материала пленки.

3. Оптоэлектронное устройство по п.2, отличающееся тем, что электроды расположены между углеродной пленкой и подложкой.

4. Оптоэлектронное устройство по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено расширителем пучка, размещенным между источником ультракоротких импульсов и преобразователем света.

5. Оптоэлектронное устройство по п.4, отличающееся тем, что электроды выполнены в виде линейных электрических проводников, расположенных параллельно друг другу и перпендикулярно плоскости падения света.

6. Оптоэлектронное устройство по п.5, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено оптическим устройством для преобразования излучения от источника ультракоротких импульсов света в линейно поляризованное излучение в плоскости, перпендикулярной плоскости пленки, и размещенное между источником преобразователем света.