SU824836A1 - Ir-radiation modulator - Google Patents

Description

33

На чертеже представлен один из вариантов модул тора ИК-излучени  предлагаемой конструкции.The drawing shows one of the variants of the modulator of infrared radiation of the proposed design.

Кристалл 1 модул тора с плоскопараллельными оптически полированными торцами 2 и электрическими контактами 3 номепцен в хладопровод 4. Своими боковыми гран ми кристалл 1 приклеиваетс  смолой к хладопроводу 4. Цилиндрическа  новерх .ность германиевого хладопровода покрыта никелем и облужена индием.The crystal 1 of the modulator with plane-parallel optically polished ends 2 and electrical contacts 3 is nomincent in the refrigerant circuit 4. With its lateral faces, the crystal 1 is glued with resin to the refrigerant circuit 4. The cylindrical top of the germanium refrigerant is nickel coated and served with indium.

В собранном виде модул тор помещаетс  в медный держатель, соединенный с дном кристалла.When assembled, the modulator is placed in a copper holder connected to the bottom of the crystal.

Возможны и другие варианты конструкции . Например, изготовление кристалла модул тора в форме цилиндра, у которого вс  бокова  поверхность находитс  в тепловом контакте с хладопроводом.Other design options are possible. For example, the manufacture of a modulator crystal in the form of a cylinder, in which the entire side surface is in thermal contact with the coolant.

В другом исполнении MorjT быть предложены модул торы, у которых часть боковой поверхности кристалла (более половины ) находитс  в тепловом контакте с хладопроводом.In another design of MorjT, modulators are proposed, in which a part of the lateral surface of the crystal (more than half) is in thermal contact with the heatsink.

Модул тор ИК-излучени  работает следующим образом.The infrared modulator operates as follows.

Луч света от лазера направл етс  на просветленный торец кристалла 1. При подаче напр жени  через высокочастотный тракт на контакты 3 происходит разогрев дырок, поглощение света увеличиваетс  и, таким образом, происходит модул ци  интенсивности прошедщего через кристалл света.The beam of light from the laser is directed to the illuminated end of the crystal 1. When voltage is applied through the high-frequency path to contacts 3, the holes are heated, the absorption of light increases and, thus, the intensity of the light passing through the crystal is modulated.

Действие такого модул тора основано на изменении коэффициента поглощени  света свободными дырками при их разогреве диэлектрическим -полем, возникающим в кристалле при приложении напр жени  от внещнего источника.The effect of such a modulator is based on a change in the absorption coefficient of light by free holes when they are heated by a dielectric field arising in a crystal when voltage is applied from an external source.

Предлагаемый принцип модул ции свободен от основного недостатка модул ции с помощью инжекции носителей зар да: больщой инерционности, так как инерционность модул ции при разогреве дырок определ етс  временем разогрева и охлаждени  дырок в электрическом поле и обычно лежит в интервале с.The proposed modulation principle is free from the main drawback of modulation by injection of charge carriers: a large inertia, since the inertia of modulation during heating of holes is determined by the time of heating and cooling of holes in an electric field and usually lies in the interval c.

Глубина модул ции света М определ етс  величиной Aa(p)-pL, где Аа(р) - изменение сечени  поглощени  света дырками в электрическом поле, завис щее от концентрации дырок. При слабом разогреве (, где AT - изменение температуры дырок в поле, Т - температура рещетки кристалла) и посто нстве вводимой в кристалл мощности на один носитель зар да е }х(р) (где x(p) - подвижность дырок, Е - напр женность электрического пол ) А а (р) падает с ростом дырок в диапазоне р (1-9) смпримерно как (т 0,5-0,65). Однако величина Aa-p-L (глубина модул ции ) при растет с ростом дырок примерно р™(п 0,35-0,5).The depth of light modulation M is determined by the value of Aa (p) -pL, where Aa (p) is the change in the light absorption cross section of holes in an electric field, depending on the hole concentration. With weak heating (where AT is the change in the temperature of holes in the field, T is the temperature of the crystal lattice) and the constancy of the power introduced into the crystal per charge carrier e} x (p) (where x (p) is the hole mobility, E - the intensity of the electric field) A a (p) decreases with the growth of holes in the range of p (1–9), approximately as (t 0.5–0.65). However, the value of Aa-p-L (modulation depth) with an increase in the growth of holes is approximately p ™ (n 0.35-0.5).

4four

С другой стороны мощность, выдел ема  в единице объема вещества, растет в непрерывном режиме с ростом дырок, что приводит к разогреву кристалла и падению 5 глубины модул ции света.On the other hand, the power released in a unit volume of a substance increases in a continuous mode with the growth of holes, which leads to heating of the crystal and a drop in 5 of the modulation depth of light.

Гаким образом, при модул ции света в непрерывном режиме должна существовать оитимальна  область концентраций дырок, дл  которой достигаетс  максимальна  глуO бипа модул ции.As a matter of fact, when modulating light in a continuous mode, there should be an optimal range of hole concentrations for which the maximum depth of modulation is achieved.

Максимальна  глубина модул ции света при посто нном значении L достигаетс  при /7 (4-7) 10 см-з. Соединение с хладопроводом больщей части всей боковой иоверхности кристалла, а не одной грани в варианте, изображенном на чертеже, также приводит к увеличению максимальной глубины модул ции и эффективности модул тора , так как таким способом обеспечиваетс  лучший теплоотвод от кристалла и уменьшаетс  нагрев модул тора при его работе. Модул ци  растет с ростом L.The maximum modulation depth of light at a constant value of L is reached at / 7 (4-7) 10 cm-s. The heat transfer connection of a large part of the entire side and surface of the crystal, rather than one face, in the variant shown in the drawing, also leads to an increase in the maximum modulation depth and efficiency of the modulator, since it provides the best heat dissipation from the crystal and reduces the modulator heating work. Modulation increases with increasing L.

Длина образца по направлению распространени  модулируемого излучени  выбира5 етс  такой, что врем  прохождени  излу , Ln чеии  вдоль модул тора , где п -The sample length in the direction of propagation of the modulated radiation is chosen5 such that the transit time of the radiation, Ln is the cell along the modulator, where n is

СWITH

коэффициент преломлени  вещества модул тора , с - скорость света, по крайней мере в четыре раза меньше требуемого периода модул ции излучени . Дл  германи  эти размеры лежат в пределах 10-20 мм.the refractive index of the modulator substance, c is the speed of light, at least four times less than the required period of modulation of the radiation. For germanium, these dimensions are in the range of 10-20 mm.

При мм инерционность будет определ тьс  временем пробега фронта черезWith mm, the inertia will be determined by the front running time

5 кристалл и скажетс  хуже, чем у модул тора , дл  которого инерционность ограничена скинэффектом (верхн   частота напр л ени  примерно 2,5 ГГц, соответственно частота модул ции 5 ГГц).5 crystal is worse than that of the modulator, for which the inertia is limited by skin effect (the upper frequency of the voltage is about 2.5 GHz, respectively, the modulation frequency of 5 GHz).

0 При уменьшении длины L до значений менее 10 мм (при сохранении сопротивлени  модул тора R 75 Ом) уменьщаютс  поперечные размеры кристалла до значений менее 0,8X0,8 мм, что усложн ет юстиров5 ку модул тора и технологию изготовлени . Поперечные размеры кристалла выбираютс  такими, чтобы сопротивление модул тора при рабочей температуре было согласовано с выходным сопротивлением стандартных промышленных генераторов напр жени  и высокочастотных трактов, например , равным 75 или 50 Ом.0 When the length L is reduced to values less than 10 mm (while maintaining the modulator resistance R 75 Ohms), the transverse dimensions of the crystal decrease to values less than 0.8X0.8 mm, which complicates the adjustment of the modulator and manufacturing technology. The transverse dimensions of the crystal are chosen such that the resistance of the modulator at the operating temperature is matched with the output resistance of standard industrial voltage generators and high-frequency paths, for example, 75 or 50 Ohms.

Грани кристалла, на которые падает свет, оптически просветл ютс  на длинуThe edges of the crystal on which the light is incident are optically brightened to a length

5 волны ИК-излучени , например К 10,6 мкм, путем нанесени  диэлектрических слоев или другим способом, что почти вдвое снижает потери света на отражение.5 waves of infrared radiation, for example, K 10.6 microns, by applying dielectric layers or by another method, which almost halves the loss of light on the reflection.

0 Надежность и долговечность предлагаемого модул тора - важные факторы при его эксплуатации - обусловлены использованием хладопровода из германи  с удельным сопротивлением Ом/см при ра5 бочей температуре.0 The reliability and durability of the proposed modulator — important factors in its operation — are due to the use of a germanium cold pipeline with a specific resistance of Ohm / cm at operating temperature.

Больша  часть всей боковой поверхности кристалла имеет непосредственный тепловой контакт с хладопроводом. В такой конструкции уменьшаетс  неравномерность охлаждени  кристалла модул тора по сечению и исключены материалы с разными коэффициентами термического расширени , что обуславливает большие напр жени  в узле кристалл - хладопровод. Высокое удельное сопротивление материала подложки Ом/см гарантирует отсутствие закорачивани  модул тора через хладопровод и потерь мош,ности в хладопроводе при высоких частотах.Most of the entire lateral surface of the crystal has direct thermal contact with the coolant. In such a construction, the non-uniformity of cooling of the modulator crystal over the cross section is reduced, and materials with different thermal expansion coefficients are excluded, which causes high voltages in the crystal-cold core assembly. The high resistivity of the substrate material, Ω / cm, ensures that the modulator is not shorting through the refrigerant pipe and no loss of mosh in the refrigerant pipe at high frequencies.

Параметры модул тора не мен ютс  при проведении нескольких сотен циклов охлаждени .The modulator parameters do not change during several hundred cooling cycles.

При слабых пол х (У 10-15 В) модул ци  мен етс  квадратично с напр жением , а затем квадратична  зависимость нарушаетс  частично из-за теплового разогрева кристалла, а частично из-за перехода от области полей, отвечающих слабому разогреву дырок (Д7/То С1), к области их более сильного разогрева.For weak fields (10-15 V), the modulation changes quadratically with voltage, and then the quadratic dependence is violated partly due to the thermal heating of the crystal, and partly due to the transition from the field region corresponding to the weak heating of holes (D7 / That C1), to the area of their stronger warming up.

При В тепловой разогрев становитс  настолько сильным, что модул ци  при дальнейшем росте напр жени  уменьшаетс .When B, the heat-up becomes so strong that the modulation with a further increase in voltage decreases.

Применение модул тора предлагаемой конструкции позволит снизить требовани  к чувствительности регистрирующей излучение аппаратуры, что приведет к ее упрощению и удешевлению, а также увеличит надежность системы, в состав которой входит модул тор. Это решение достигаетс  благодар  увеличению глубины модул ции света и срока службы модул торов.The use of a modulator of the proposed design will reduce the requirements for the sensitivity of radiation-detecting equipment, which will simplify and cheapen it, and also increase the reliability of the system that includes the modulator. This solution is achieved by increasing the modulation depth of the light and the lifetime of the modulators.

Claims (2)

1.Мустель Е. Р., Парыгин В. Н. Методы модул ции и сканировани  света. - М.: Наука, 1970, с. 149-167.1.Mustel E.R., Parygin V.N. Methods of modulation and scanning of light. - M .: Science, 1970, p. 149-167. 2.Болтаев А. П. и др. Высокочастотна  модул ци  10 мк излучени  с помощью эффекта нагревани  носителей электрическим полем в германии р-типа. ФТП, т. 7, вып. 10, с. 1896-1899, 1973 (прототип).2. Boltaev A.P. et al. High-frequency modulation of 10 microns of radiation using the effect of carrier heating by an p-type germanium electric field. FTP, T. 7, vol. 10, s. 1896-1899, 1973 (prototype).