Данный затвор эти требования выполняет.




Слайд

формирование объёмных микроструктур на подложках для создания микромеханического оптического пассивного затвора

Слайд

Цель диссертационной работы

Исследование технологии изготовления микромеханического оптического пассивного затвора с наносекундным временем срабатывания, релаксирующего к прежнему состоянию после прекращения воздействия.

Задачи исследования

- Анализ механизмов воздействия лазерного излучения на элементы ОЭС;

- Анализ существующих технологий защиты от поражающего лазерного излучения;

- Принцип работы и модель микромеханического затвора с наносекундным быстродействием;

- Анализ полученных результатов.

 

Слайд

Анализ воздействия лазерного излучения на элементы фотоприёмных устройств:

1. На металлические слои и подложки;

2. На поверхность полупроводников;

3. На органы зрения.

Рассмотрим данные элементы фотоприёмные устройства подробней.

 

Слайд

Воздействие лазерного излучения на металлические слои подложки

Металлические слои являются составными частями матричных полупроводниковых фотоприемных устройств и основным материалом фотоэмиссионных катодов электронно-оптических преобразователей (ЭОП) и фотоэлектронных усилителей (ФЭУ).

При мощности лазерного излучения, превышающей порог плавления металлов, происходит тепловое разрушение металла.

У процесса разрушения выделяют несколько стадий, которые в некоторых случаях могут проходить одновременно.

Этими стадиями являются:

- Нагрев и плавление металла;

- Выброс жидкой и газовой фаз;

- Нагрев и ионизация выброшенного материала;

- Нагрев и разлет образовавшейся плазмы.

 

Слайд

Воздействие лазерного излучения на поверхность полупроводника

Воздействие мощных наносекундных импульсов на полупроводники приводит как к процессам, идущим вне полупроводника (образование газа и плазмы, нагревание плазмы излучением, ионизацию газа), так и к процессам внутри движения границы разрушения в глубину, увеличения температуры вблизи зоны воздействия лазерного луча, распространения в твердом теле волн сжатия и разряжения.

В веществе появляются трещины, углубления термического травления; при увеличении энергии в импульсе возникают глубокие кратеры.

Также было обнаружено плавление поверхностного слоя полупроводника.

 

Слайд

Воздействие лазерного излучения на органы зрения

Падающее излучение фокусируется в малое пятно на сетчатке, что увеличивает интенсивность облучения и вызывает поражение сетчатки глаза. На данном рисунке показаны спектральные характеристики человеческого глаза. Там же приведено произведение коэффициента пропускания глаза на поглощающую способность сетчатки, т.е. доля падающего на глаз света, фактически поглощаемая сетчаткой.

По этой кривой можно судить о поражаемости сетчатки в зависимости от длины волны света. Излучение лазеров, работающих на длине волны меньше 0,3 мкм и больше 1,6 мкм, поглощается в глазной среде и не достигает сетчатки.

1 - пропускание глазной среды; 2 - произведение пропускания на поглощение (в процентах) в пигментном эпителии сетчатки. Стрелками отмечены длины волн генерации некоторых распространенных лазеров.

Слайд

Воздействие лазерного излучения на органы зрения

Ультрафиолетовая область – разрушение молекул белка роговой оболочки и ожог слизистой оболочки глаза.

Видимая область – ожог сетчатки (при нагреве свыше 10 °С происходит пороговое разрушение). От обратимого поражения до слепоты.

Инфракрасная область (ближний и средний диапазон до 3.5 мкм) – излучение поглощается радужной оболочкой, хрусталиком и стекловидным телом.

Слайд

Существующие технологии и устройства защиты от лазерного излучения, их преимущества и недостатки

Существующие средства не обеспечивают защиту оптико-электронных систем (ОЭС) наблюдения от возможного попадания лазерного излучения. А такое попадание лазерного излучения может приводить к разрушению фото- или теплочувствительного элемента прибора и, как следствие, к "ослеплению" и выводу из строя средства наблюдения. Проблема предотвращения ослепления не может эффективно решаться путем применения узкополосных отражающих светофильтров, или использования устройств, основанных на резонансном возбуждении атомов поглотителя (переводом на более высокие энергетические уровни), так при этом требуется совпадение длины волны излучения средства подавления (как правило, неизвестна) и рабочей длины волны средства защиты. Кроме того, средство защиты не должно препятствовать ОЭС выполнить свою основную задачу: не потерять наблюдаемый объект.

Существующие средства защиты ОЭС недостаточно эффективны.

1. Ячейка Керра (электрооптический затвор) основана на использовании наведенного двyлучeпреломления и может обеспечить быстродействие до 0,1 нс, но требует знания направления поляризации падающего светового излучения и применения электронных схем, срабатывающих от датчика. Инерционность схем управления и случайность направления поляризации падающего светового излучения исключают возможность применения подобных устройств для защиты ОЭС, в том числе и любых устройств, управляемых с помощью сигнала от фотодатчика, пространственно отдаленного от затвора.

2. Пленочные электрооптические затворы с фоmonроводящuм слоем, интегрированным в структуру затвора, обладают недостаточным быстродействием (10-7с) в связи с инерционностью фотополупроводников, а также, как и в случае с ячейкой Керра, модулируемый свет должен быть поляризован.

3. Жидкокристаллические управляемые лазерным пучком пространственные модуляторы обладают малым быстродействием (10-5с).

4. Использование фазовых переходов вещества при нагревании, conровождающихся изменением onmических свойств; оптические свойства изменяются в ограниченном спектральном диапазоне; амплитудная модуляция света недостаточна для затвора и т.п.

Анализ этих средств защиты ОЭС показывает их низкую эффективность. В этой связи актуальной является проработка принципиально новых путей решения проблемы повышения защищенности ОЭС.

 

Слайд

Конструкция микромеханического затвора

Материал формуемой пленки – золото, толщина пленки 0,05 мкм. Промежуточные слои выбираются из сравнительно легко испаряющихся материалов, имеющих малую температуропроводность – хром и полиметилметакрилат. Микрокамеры располагаются с шагом 1-2 мкм и имеют глубину 0,2 мкм, диаметр микрокаметы 10 мкм. Поверх массива наносится металлическая мембрана (золото) и соединяется со стенками микрокамер. Готовый чип затвора должен быть помещен в корпус с оптическим окном, защищающим мембрану от механических повреждений.

Слайд

Принцип работы микромеханического затвора

Эффект возникновения микровыступов имеет тепловой характер: поглощенное излучение нагревает газовую среду внутри микрокамер, расположенных под зеркальной поверхностью, до 1000...13000С; давление в них возрастает до 4...5 атм. за время порядка 1 нс. Это вызывает деформацию пленки над микрокамeрой, создавая выступ высотой порядка сотых долей длины волны падающего лазерного излучения. Рассеивающий эффект наиболее значителен при расстояниях между микрoвыступами, примерно равных длине волны падающего излучения. Однако это условие не является обязательным.

 

Слайд

Основные требования к защитным быстродействующим затворам

- Время срабатывания за время порядка десятой доли длительности импульса ослепления (т.е. ≈ 1∙10-9 с);

- Коэффициент защиты 90 ÷ 100 %;

- Время релаксации к прежнему состоянию за время не более 10-5 - 10-4 с;

- Рабочий диапазон длин волн 0,3-11 мкм;

- Технический ресурс 104 импульсов ослепления.

Данный затвор эти требования выполняет.

 

Слайд

Здесь изображена зеркально-линзовая оптическая система с контррефлектором, используемая в современных ОЭС. Световой поток, идущий от цели и содержащий, в том числе, им пульсы лазерного излучения, проходит прозрачный обтекатель 1, отражается сферическим зеркалом 2 на плоский контррефлектор 3 и далее проходит к приемнику 4. Зеркало 2 формирует на приемнике лучистой энергии 4 изображение цели. Контррефлектор выполнен в виде микромеханического светоклапанного зеркала. После окончания лазерного импульса ячейки остывают и зеркало становится плоским. Время восстановления составляет до 1 микросекунды. За это время при скорости 1-5 скоростей звука аппарат переместится на расстояние 0,3-1,5 мм, что не может привести к потере цели оптоэлектронной системой.

Для одного из вариантов конструкции, с учетом размеров элементов светоклапанного зеркала, модельные расчеты показали, что зеркало срабатывает приблизительно за 1нс при попадании на него лазерного импульса длительностью 10 нс и пропускает излучение с плотностью энергии 150-300 Дж/м2. Если диаметр контррефлектора меньше диаметра сферического зеркала в N раз, то соответствующая плотность энергии излучения от цели, падающего на обтекатель, при которой сработают световые клапаны, уменьшается пропорционально N2, т.е. при N≈10 она будет равна 15,0-30,0 Дж/м2. К приемнику 4 пройдет 0,1-0,2 доли энергии излучения, падающего на световые клапаны.

Световой клапан отсекает в данном примере 90% падающей энергии лазерного импульса, то есть ослабляет плотность энергии, падающей на приемник, в 10 раз. При увеличении энергии ослепляющего импульса или при размещении светоклапанного зеркала в таком месте оптической схемы, где больше плотность энергии, например, в области фокуса объектива, выигрыш только увеличивается, так как работа светового клапана имеет пороговый характер.

Полезная площадь микромеханического зеркала определяется использованной технологией изготовления его структуры. В случае применения планарной кремниевой технологии размер устройства ограничен диаметром кремниевых пластин.

 

Слайд

В предыдущей главе показано, что термоиндуцированное срабатывание микромеханических затворов происходит при плотности мощности падающего ла­зерного излучения, близкой к плотности мощности, повреждающей защищаемые приборы наблюдения.

Отсюда можно сделать вывод, что термочувствительные структуры затворов должны располагаться в плоскости формирования оптического изображения, а оптическая схема защищаемого затвором прибора должна иметь последователь­но расположенные по ходу излучения две области формирования изображения - для затвора и для фоточувствительной структуры прибора наблюдения.

Среди зеркальных и зеркально-линзовых оптических систем такими возможностями обладает схема Грегори. Зеркала М1 и М2 формируют первое действительное изображение ℓ'2 в плоскости F'2, которое линзой L отображается во второе изображение ℓ'3, располагающееся в плоскости F'3.

Для рассматриваемого варианта затворов отражающую их поверхность необходимо разместить в области зеркала М2, и на зеркале должно формироваться изображение ℓ'2. При этом ход главных лучей, отра­женных от М2, совпадает с ходом главных лучей, падающих на М2, и любые оптические элементы, установленные по ходу отраженных лучей, затеняют па­дающие лучи.

 

Слайд

Для удаления из падающего на М2 пучка элементов, формирующих второе изображение в отраженных лучах, может быть применена схема Гершеля, с внеосевой входной апертурой.

Слайд

Вариант оптической системы с двумя последовательно по ходу пучка распо­ложенными изображениями, в котором мешающие элементы устранены из хода падающих на зеркало М2пучков, основанный на схеме Гершеля.

Здесь первое (действительное и отрицательное) изображение ℓ'1строится сферическим или параболическим зеркалом М1 на поверхности зеркала М2, которое зеркально отражает главные лучи, отмеченные каждый двумя стрелками, в область по другую сторону от оптической оси. Апертура линзы Л достаточна для пропускания всех отраженных лучей; оптическая ось этой линзы совпадает с оптической осью системы, и построенное линзой изображение ℓ'2 также лежит в области оптической оси.

Для уменьшения размеров линзы Л зеркалу М2 целесообразно придать оптическую силу, превратив его в коллектив. Коллектив (полевая линза) отклоня­ет к оптической оси наклонные лучи пучков, осями которых являются главные лучи. Зеркало М2 можно выполнить сферическим или в виде плосковыпуклой линзы с отражающей плоскостью.

Активное зеркало микромеханического затвора на рисунке 4.3 совпадает с отражающей поверхностью зеркала М2. При попадании на входную апертуру зеркала М1 лазерного мощного излучения оно фокусируется зеркалом в точку на плоскости затвора. До срабатывания затвора зеркало отражает лазерное излучение, и его энергия попадает на фоточувствительную область фотоприемника. После срабатывания затвора излучение пере­стает поступать к фотоприемнику; общая энергия, облучающая фотоприемник, уменьшается, что предохраняет его от повреждений лучом.

 

Слайд

На рисунке показана оптико-механическая схема телескопа, в котором применена оптическая схема, представленная на 15 слайде. Задний фокус зеркала М1 и передний фокус линзы Л совмещены, и в области общего фокуса размещено зеркало М2.

?????????????????????????????????

 

Слайд

Заключение

Технология изготовления оптического пассивного микромеханического затвора с наносекундным быстродействием имеет ряд преимуществ по сравнению с другими известными технологиями и методами защиты оптико-электронных систем от лазерного излучения и является самой эффективной в практическом применении: многоразовое использование, быстрое время срабатывания и релаксации, отсутствие подвижных элементов, энергонезависимость.

Пассивный микромеханический оптический затвор может быть внедрен и использован в большинстве существующих и разрабатываемых современных оптико-электронных системах.

 

Слайд

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

 

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-06-30 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: