Болометрические приемники терагерцового диапазона
Терагерцовое (ТГц) излучение — это электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и миллиметровым диапазонами. ТГц-диапазон находится в пределах 0.1–10 ТГц (30 мкм–3 мм), частично перекрываясь со средним инфракрасным (2,5–50 мкм) и миллиметровым (30–300 ГГц, 1–10 мм) диапазонами, а также включая в себя более узкие субмиллиметровый и субтерагерцовый диапазоны. Приборы, действующие в терагерцовом диапазоне, приобретают все большее значение в разнообразных приложениях (например, в охранных, для формирования изображений). ТГц волны являются эффективными в обнаружении присутствия воды и, таким образом, позволяют эффективно различать различные объекты на человеческих телах (содержание воды в человеческом организме составляет около 60%), поскольку одежды являются прозрачными.
Сложность разработки терагерцовых устройств состоит в том, что при детектировании терагерцового излучения перестают действовать некоторые принципы работы фотонных и электронных устройств. Терагерцовое излучение характеризуется малой энергией фотона и поэтому фотонные терагерцовые устройства с квантовыми переходами могут работать только при пониженных температурах, что крайне неудобно для практического использования. Например, для досмотровых систем необходимо высокое пространственное разрешение, скорость визуализации изображения и удобство использования приемников. Для решения этих задач могут быть использованы матричные микроболометрические приемники большого формата, чувствительные к ТГц диапазону. Высокая чувствительность неохлаждаемых микроболометрических приемников к терагерцовому излучению обеспечивается двумя способами. Первый состоит в применении антенн, связанных с микроболометром резистивным и/или емкостным способом (рис 1). Второй состоит в применении тонких металлических поглотителей, наносимых на термоизолированную мембрану болометра (рис.2).
В обоих случаях могут применяться дополнительные оптические резонаторы. В длинноволновой части ТГц-диапазона предпочтительнее применение антенны, поскольку она позволяет подвести электромагнитную мощность к чувствительному элементу, размер которого может быть намного порядков меньше длины волны.
В России неохлаждаемые микроболометрические приемники ТГц излучения – болометры на основе оксидов ванадия с тонким металлическим поглотителем были разработаны и продемонстрированы в ИФП СО РАН. В конструкции ИФП СО РАН нагрузкой для антенны является не сам термочувствительный элемент микроболометра, а узкая металлическая полоска, нанесенная на верхний слой нитрида кремния между контактами к слою оксида ванадия и, следовательно, имеющая хороший тепловой контакт с микроболометром, но электрически изолированная от термочувствительного слоя. Технология изготовления антенн и поглотителей, являясь, по сути, планарной технологией с использованием фотолитографии, позволяет на одной структуре сформировать фрагменты поглотителей с различной спектральной и поляризационной чувствительностью. Рабочий спектральный диапазон поглотителей ограничивается только технологиями их изготовления, которые на данный момент охватывают интервал длин волн от 1,6 до 10000 мкм.
Эти разработки ИФП СО РАН позволили АО «ОКБ «АСТРОН» впервые в России изготовить несколько опытных полупромышленных партий чувствительных в терагерцовой области микроболометрических матриц с шагом пикселя 25 мкм. АО «ОКБ «АСТРОН» накоплен значительный опыт разработки и производства микроболометров для тепловизионной техники. Тепловизионные болометрические модули на оксиде ванадия разрешением 388×256, 640×480 выпускаются ОКБ «АСТРОН» серийно. Разработанная технология изготовления неохлаждаемых детекторов позволит создавать болометры, работающие при комнатной температуре. Чувствительность болометров примерно соответствует чувствительности оптико-акустического преобразователя (ячейки Голея), но в отличие от нее неохлаждаемые тонкопленочные монолитные болометры надежнее и проще в изготовлении. На основе опыта производства болометрических многоэлементных приемников для тепловизионного диапазона научно-исследовательский коллектив предприятия добился успехов в разработке неохлаждаемых болометров на основе оксидов ванадия. Следующий этап – серийное освоение болометрических приемников терагерцового диапазона волн.
Мы ставим перед собой задачу в ближайшее время вывести на рынок недорогие матрицы детекторов терагерцевого диапазона, подобных тепловизионным неохлаждаемым матрицам. Такие матрицы станут основой сканеров для систем безопасности (обнаружение скрытого оружия, взрывчатки и др. под одеждой).