Метод на основе фотозарядового эффекта для разработки новых оптических систем

АННОТАЦИЯ

На сегодняшний день представляет практический и теоретический интерес исследование механизмов фоточувствительности по аналогии с механизмами зрения живых организмов. Для понимания данного процесса, создания новых алгоритмов видения, чувствительных элементов и регистрирующих приборов необходимо провести работы по исследованию этого процесса. Некоторые современные технические средства, такие как акустооптические устройства, позволяют  продвинуться в этом направлении. Предполагается работа по моделированию зрительных каналов с помощью акустооптических спектральных устройств, а также эксперимент по исследованию фотозарядового эффекта, для возможности практического применения.

ABSTRACT

To date, it is of practical and theoretical interest to study the mechanisms of photosensitivity by analogy with the mechanisms of vision of living organisms. To understand this process, create new vision algorithms, sensitive elements and recording instruments, it is necessary to carry out work on the investigation of this process. Some modern technical means, such as acousto-optic devices, allow to advance in this direction. It is proposed to work on the modeling of visual channels with the help of acoustooptic spectral devices, as well as an experiment to study the photo-effect effect, for the possibility of practical application.

Зрительные каналы фоторецепции в природе отличается разнообразием. Известно, что некоторые виды живых существ имеют значительно больше число каналов по сравнению с человеком. Особенно широко это наблюдается среди подводных существ, у которых условия наблюдения меняются в значительных пределах в зависимости от ситуации. Наличие даже одного дополнительного канала, например 4-го (УФ), как у птиц, обеспечивает существенное преимущество в зрительном восприятии и распознавании объектов по сравнению с человеческим трехканальным зрением. В природе известны способы корректировки формы спектральных характеристик, имеющие адаптационный характер. Все это делает актуальной задачу моделирования "цветовых" каналов как для имитации зрительного восприятия живых существ, так и для проектирования новых систем, позволяющих значительно улучшить регистрацию и распознавание объектов. Это требуется для проектирования оптических систем, спектр видимости у которых будет близок к некоторым живым организмам.

Проведено моделирование механизма фоточувствительности на основе так называемого фотозарядового эффекта, который состоит в появлении разности потенциалов между "темной" (теневой) стороной проводящего образца и стороной, освещаемой оптическим излучением (светом) [2]. Впервые этот эффект начал активно изучаться в 1989 г, была построена теоретическая модель явления, базирующаяся на эффекте перераспределения электронов по поверхности образца при облучении светом. Показана существенная зависимость величины эффекта от диэлектрической проницаемости, проводимости, формы поверхности. Особый интерес представляет эффект геометрического "усиления", который проявляется для объектов, имеющих широкую освещаемую площадку и тонкий обратный (темновой) конец (острие, провод), и заключающийся в том что даже небольшое изменение электронной плотности под действием света приводит к появлению существенного избытка электронов на остром конце и, соответственно, заметного электрического поля [3,4].

Подтверждено, что эффект носит универсальный характер и проявляется не только на металлах, но и даже на биологических объектах (листьях, срезах тканей и т.п.). Показана заметная чувствительность эффекта к локальной проводимости освещаемого участка поверхности, что позволяет потенциально использовать его для бесконтактного дистанционного "картирования" свойств поверхности, определения ее структуры. Описанный эффект представляет интерес по нескольким причинам. Эффект не имеет нижнего порога по энергии и может проявляться в длинноволновой области спектра, а значит может служить основой для разработки методов регистрации излучения ближнего и дальнего ИК, а также терагерцевого диапазона, что особенно важно в связи с активным освоением этих частей спектра электромагнитных волн [1].

Интерес этим исследованиям придает тот факт, что фоточувствительность на основе фотозарядового эффекта напоминает во многих аспектах механизм фототрансдукции, происходящий у живых существ: генерацию и трансформацию сигналов (электрических импульсов) при формировании оптического изображения в процессе зрения. В работе предполагается создать исследовательский стенд, включающий источник излучения, экранированное отделение для образцов и регистрирующей системы, включающей синхронный детектор для регистрации слабых сигналов. Следует отметить, что измерительная система, "фоточувствительный" образец с присоединенным сзади проводящим концом, по своим функциям и структуре напоминает фоторецептор.

Проведены исследования отклика системы на тестовые электромагнитные сигналы, различающиеся формой, периодом, спектральным составом. Фотозарядовый эффект – это явление перераспределения заряда, возникающее под действием падающего излучения. Перераспределение заряда, расположенного вблизи поверхности проводника, сопровождается соответствующим изменением электростатического потенциала двойного слоя. Это изменение можно вычислить, решив систему уравнений (1):

                             (1)

где e – заряд электрона, φ – скалярный потенциал двойного слоя, n(x) – концентрация электронов, n₀(x) – концентрация положительных зарядов (ионов), P – давление электронного газа, F(x) – сила, действующая на электроны со стороны падающего излучения и поля двойного слоя [5]. Первое из уравнений представляет собой условие равновесия для электронов, второе уравнение – уравнение Пуассона. Решение системы, описывающее вклад в изменение потенциала под действием падающего излучения, имеет вид φ(x)=φ(P(x),E,ε(x),n₀(x),n(x)), где E – амплитуда электрического поля падающего излучения. Таким образом, величина эффекта зависит от мощности излучения (E), свойств материала и состояния его поверхности (ε(x) и n₀(x), n(x), P(x)).

Практическая значимость метода фотозарядового эффекта может найти применение в следующих областях:

1. Бесконтактное измерение параметров полупроводниковых материалов и устройств.

Известно, что функциональные характеристики полупроводниковых устройств зависят от чистоты материала и состояния поверхности. Фотозарядовый эффект чувствителен к наличию примесей, дефектов и пр., поэтому его можно использовать для визуализации «электрической структуры» поверхности. Причем такая «визуализация» возможна не только для полупроводников, но и для проводников.

1. Исследование органических соединений.

Органические соединения, как правило, состоят из длинных молекул. Представляет интерес исследование влияния формы молекулы на величину фотозарядового эффекта.

В процессе работы была разработана экспериментальная установка (стенд) для исследования предложенного метода, с помощью экспериментальных измерений. Определены факторы, влияющие на величину измеряемого сигнала, произведен подбор оптимальных характеристик, схемных элементов для дальнейшего совершенствования установки и внедрения её в дальнейшую работу.

Схема для исследования фотозарядового эффекта представлена на рис.1. Излучение гелий-неонового лазера (HeNe) 1 модулируется опто-механическим модулятором 2 и с помощью поворотной призмы зеркал 3 через фокусирующий объектив 4 луч направляется на окно в коробке 5 с исследуемым образцом, сигнал с которой поступает на измерительный прибор 6 – синхронный детектор – и отображается на осциллографе 7. Детектор 6 и модулятор 2 синхронизированы по частоте.

Коробка с исследуемым образцом (измеряемая структура) для случая несимметричного измерения представлена на рис.2. Она представляет собой цилиндр с двумя симметричными окнами для разъёмов и прохождения луча лазера. Излучение через входное окно 5 попадает на исследуемый образец 1, вызывая перераспределение зарядов, расположенных вблизи поверхности, и накопление их на обратной, неосвещенной стороне. Посредством емкостного взаимодействия на электроде 3 образуется заряд, который через разъем 4 поступает на измерительный прибор. Черная поглощающая бумага 2, расположенная между образцом 1 и электродом 3, выполняет роль диэлектрика и исключает непосредственный контакт между ними, а также гарантирует, что излучение не попадает на электрод 3. Образец 1 и электрод 3 помещаются в заземленную металлическую коробку 6, которая экранирует их от внешних электрических наводок. На входном окне 5 нанесено токопроводящее покрытие, находящееся в контакте с коробкой 6.

Рисунок 1. Экспериментальная схема установки: 1 – лазер, 2 – модулятор, 3 – поворотная призма, 4 – фокусирующий объектив, 5 – коробка с исследуемым образцом, 6 – синхронный детектор, 7 – осциллограф

Рисунок 2. Схема коробки с исследуемым образцом: несимметричный режим измерения;. 1 – исследуемый образец, 2 – черная бумага, 3 – электрод, 4 – BNC-выход, 5 – входное окно, 6 – металлическая коробка

Изготовлены электроды специальной формы. Их внешний вид представлен на рис 3. С такой формой плотность зарядов при заданном потенциале определяется кривизной поверхности: она растет с увеличением выпуклости и убывает с увеличением вогнутости. Если кривизна поверхности в разных точках разная, плотность заряда также будет различна. Заряды скапливаются на тех участках, где больше кривизна, например, у острия.

Рисунок 3. Внешний вид электродов из Al (аллюминий) и Cu (меди)

Рисунок 4. Форма электрода (линиями условно показана кривизна поверхности)

Внешний вид экспериментального стенда представлен на рис.5.

Рисунок 5. Внешний вид экспериментального стенд, где 1 – лазер, 2 – модулятор, 3 – синхронный детектор, 4 – коробка с исследуемым образцом, 5 – осциллограф, 6 – поворотная призма

В качестве источника излучения использовались либо непрерывный лазер совместно с модулятором, либо импульсно-периодический лазер. Модулятор позволял производить измерения в диапазоне частот от 10 до 600 Гц. На базе опытного производства НТЦ УП РАН было изготовлено несколько электродов из алюминия (Al) и меди (Cu) (рис.3б). Экранирующая коробка была выполнена из алюминия, входные окна - покрыты оксидом индия-олова (ITO). В качестве измерительного прибора использовался синхронный детектор Stanford SR510.

В качестве исследуемых образцов были использованы осколок пластинки из кремния (Si), осколок арсенид галлия (GaAs), германия (Ge) кот представлены на рис. 6.

Рисунок 6. Исследуемые образцы 1 – Пласинка кремния (Si), 2- осколок арсенид галлия (GaAs), 3- осколок германия (Ge)

На рис.7 представлены результаты эксперимента для Si рис.6а-г, для GaAs рис.6д и для германия Ge рис.7е. В качестве источника излучения использовались непрерывный HeNe лазер (длина волны λ=0,63 мкм, мощность 1 мВт) и импульсно-периодический лазер с диодной накачкой (длина волны λ=0,53 мкм, мощность 22 мВт в импульсе длительностью 10 нс). На рис.7а приведен сигнал в отсутствие излучения при частоте модуляции 757 Гц (шумы), на рис.7 б – сигнал при облучении образца HeNe лазером на той же частоте модуляции, на рис.6в – на частоте 1341 Гц. На рис. 7 г-е образцы освещались зеленым лазером с частотой следования импульсов 757 Гц. Наиболее сильный отклик наблюдался на пластике Si, но сравнивать величину отклика с трех исследуемых образцов было бы некорректно, т.к. они имели разную конфигурацию (форму, толщину).

Рисунок 7. Результаты эксперимента, где в качестве исследуемого образца выступает:
а) - г) – Si; д) – GaAs; е) – Ge

В процессе работы были получены следующие основные результаты:

1. собрана экспериментальная установка для исследования фотозарядового эффекта с использованием гелий-неонового лазера;
2. получен фотоазарядный эффект на некоторых полупроводниковых материалах (Si, GaAs, Ge).

В дальнейшем планируется добиться отклика на других материалах (проводниках, диэлектриках, органических материалах), доработать установку для решения задачи бесконтактного контроля формы поверхности образца с использованием фотозарядового эффекта, что необходимо при реализации новых акустооптических систем видения.