Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы. 11
1.1 Эффект Джозефсона. 11
1.2 Основы теории Гильберт-спектроскопии. 16
1.3 Выбор типа джозефсоновских переходов для Гильберт-спектроскопии . 20
1.4 Постановка задачи. 26
2. Экспериментальные установки с частотно-селективным джозефсоновским детектором . 28
2.1 Введение. 28
2.2 Базовый макет Гильберт-спектрометра. 28
2.3 Схема электрических измерений. 30
2.4 Аналоговая электроника для частотно-селективного джозефсоновского детектора, 32
2.5 Согласование излучения с джозефсоновским переходом внутри макета частотно-селективного джозефсоновского детектора . 40
3. Основные экспериментальные результаты. 43
3.1 Вольт-амперные характеристики и частотно-селективные отклики джозефсоновских переходов. 43
3.2 Исследование динамического диапазона по мощности частотно-селективного джозефсоновского детектора. 49
3.2.1 Введение. 49
3.2.2 Теоретические оценки. 51
3.2.3 Экспериментальная установка. 59
3.2.4 Экспериментальные результаты и их анализ. 63
3.3 Измерение широкополосных спектров от стационарного источника. 73
3.3.1 Введение. 73
3.3.2 Анализ неселективных механизмов детектирования на джозефсоновском переходе . 75
3.3.3 Экспериментальная установка. 76
3.3.4 Оценка возможности работы со стационарным источником широкополосного излучения малой мощности. 82
3.3.5 Характеризация частотных свойств сеточных фильтров с помощью Гильберт-спектроскопии. 84
3.3.6 Измерение широкополосных спектров пропускания и поглощения веществ с помощью Гильберт-спектроскопии. 96
3.4 Исследование работы частотно-селективного джозефсоновского детектора с импульсным излучением . 102
3.4.1 Введение. 102
3.4.2 Демонстрация работы скоростного макета Гильберт-спектрометра с импульсным излучением. 103
3.5 Исследование когерентного переходного излучения с помощью Гильберт-спектроскопии. 110
3.5.1 Введение. 110
3.5.2 Уточнение задачи. 114
3.5.3 Измерение спектра широкополосного переходного излучения от релятивистских пучков электронов. 115
Основные результаты. 122
Перспективы развития Гильберт-спектроскопии. 124
Приложение 1. 125
- Выбор типа джозефсоновских переходов для Гильберт-спектроскопии
- Согласование излучения с джозефсоновским переходом внутри макета частотно-селективного джозефсоновского детектора
- Анализ неселективных механизмов детектирования на джозефсоновском переходе
- Исследование работы частотно-селективного джозефсоновского детектора с импульсным излучением
Введение к работе
Спектроскопия - один из разделов физической оптики и всей физической науки, посвященный исследованию спектров электромагнитного излучения. Она начинает свою историю с XVIII-XIX веков, с первых экспериментальных подтверждений Ньютоном (1643-1727) и Френелем (1788-1827) волновой теории света Гюйгенса (1629-1695). С тех пор, спектроскопия распространилась на всю область существования электромагнитных колебаний — от радиоволн до гамма-излучения.
В наше время, спектроскопия (спектральный анализ) стала одним из очень удобных, широко распространенных и очень точных методов исследования и получения новых знаний практически во всех естественных областях науки (физика, химия, биология, астрономия, геология и ми. др.). Не смотря на длительный период развития, и благодаря большому интересу со стороны различных областей науки, спектроскопические методы продолжают активно развиваться и совершенствоваться. Основными направлениями развития спектроскопии являются поиск новых методик получения спектральной информации, а также поиск и исследование характеристик новых приемных устройств.
Наряду с постоянно присутствующим интересом к получению новых спектроскопических данных в различных областях, на процесс развития спектроскопии оказывали и оказывают свое воздействие различные трудности, имеющие физический и технический характер. Так длительное время оставалась сложной и неудобной для спектрального анализа область электромагнитного спектра, включающая в себя субтерагерцовый (0,1 *- 1 ТГц) и терагерцовый (1-^10 ТГц) диапазоны частот [1, 2]. Этот диапазон соответствует максимуму спектральной плотности теплового излучения с эффективной температурой источника от 300 до нескольких Кельвин. Поэтому разница эффективных температур естественных источников и приемных устройств, которая характеризует соотношение сигнал/шум, не может быть очень большой. Это положение усугубляется еще и фоновыми шумами, которые характеризуются также близкими температурами. В то же время, использование в качестве источников объектов с более высокой эффективной температурой связано с решением проблемы избавления от более мощного более высокочастотного излучения. В связи с этим, субтерагерцовый и терагерцовый диапазоны частот, вплоть до второй половины XX века, представлялись довольно экзотическими, несмотря на то, что в приграничных областях (СВЧ и ИК диапазоны) различные спектроскопические методики применялись с достаточным успехом.
Научный интерес к данной промежуточной спектральной области определяется тем, что уже продолжительное время известно какую важную и интересную информацию можно в ней получать. Так, эта область имеет преимущество перед СВЧ диапазоном при исследовании вращательных молекулярных спектров, т.к. позволяет изучать маленькие молекулы с малым моментом инерции. Здесь же лежат спектры различных внутримолекулярных движений больших молекул: колебания остова больших молекул и полимеров [3], обменные взаимодействия между магнитными ионами в упорядоченных магнитных телах [4], спектры циклотронного резонанса в полупроводниках [5], спектры отражения сверхпроводников [6] и мн, др„
Стремление проникнуть в эту спектральную область привело к тому, что на сегодняшний день в ней применяется большое количество разнообразных методик, часть которых была заимствована из смежных областей [7 - 9]. Так, в наше время коммерчески выпускаются спектроанализаторы, использующие гетеродинный прием на основе смешения излучения с сигналом от генератора гармоник, т.е. методику, заимствованную из СВЧ диапазона (см. например [10]) и Фурье-спектрометры, использующие методику, заимствованную из оптического и ближнего ИК диапазонов (см. например [11]). Эти: приборы способны перекрывать различные части субтерагерцового и терагерцового диапазонов. Однако, на сегодняшний день отсутствует универсальная спектроскопическая методика, способная обеспечить решение всех стоящих задач.
Попытки переноса традиционных методик из других областей сталкиваются со значительными проблемами. Так эффективность спектрального анализа на основе гетеродинного приема падает при увеличении частоты. Это связано с быстрым понижением эффективности используемых умножителей частоты и смесителей при возрастании частоты в субтерагерцовом диапазоне. К тому же, этот метод непригоден для непрерывных измерений в широком диапазоне частот из-за относительно малой перестраиваемой полосы существующих когерентных источников.
Эффективность Фурье-спектроскопии падает при уменьшении частоты и, соответствующем увеличении длины волны, из-за дифракции. Кроме того, практически все методы оптической спектроскопии основаны на измерении пространственной периодичности, т.е. длины волны Я излучения. Поэтому, для увеличения спектрального разрешения, размеры спектрометра должны быть много больше длины волны исследуемого излучения (так при X ~ 1 мм характерный размер спектрометра L > 1 м). Принципиально неустранимой особенностью интерференционных спектроскопических методов также является наличие частей, механически перемещающихся на расстояния » X. Это накладывает серьезные требования на механическую стабильность, а также условия на скорость и частоту сканирования спектров. На рабочую область частот двухлучевого интерферометра Майкельсона [12] также оказывают влияние частотные свойства делителя излучения. Используемые в этом качестве тонкие диэлектрические пленки и металлические сетки имеют сложные частотные зависимости коэффициентов отражения и пропускания [1, 2]. Соответственно, их эффективность далека от идеальной, что также усложняет данный спектроскопический метод.
Поэтому, спектроскопия в данной области продолжает развиваться как самостоятельный раздел науки.
Т.к. одной из основных экспериментальных; трудностей освоения этого спектрального диапазона являлось отсутствие интенсивных источников излучения, то особо высокие требования предъявлялись к приемным устройствам. И соответственно, одной из основных их характеристик являлась об наружительная способность или предельная чувствительность.. Стремление получить высокую предельную чувствительность, естественным образом, привело к тому, что наилучшие характеристики получаются при использовании криогенных и основанных на квантовых эффектах приемников излучения [13 - 17].
Среди данного класса электронных устройств нашли свое место приемные устройства, основанные на явлении сверхпроводимости. Оказалось, что квантовые процессы, происходящие в сверхпроводящих устройствах, позволяют создать несколько различных типов очень чувствительных приемников сигналов [13,15, 18].
Пожалуй, наиболее интересным и оригинальным эффектом, связанным с явлением сверхпроводимости, является эффект Джозефсона (ЭД), предсказанный изначально теоретически [19] и нашедший затем широкое применение в сверхпроводниковой электронике. Нестационарный ЭД связан с наличием собственной джозефсоновской генерации, и поэтому, вполне логичным кажется желание использовать в спектроскопии объекты, обладающие этим эффектом. Подробнее ЭД будет рассмотрен ниже в главе 1, здесь же отметим, что джозефсоновский переход (ДП) - структура, обладающая данным эффектом, - является: базовым элементом большинства приборов сверхпроводниковой электроники.
Нелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ) ДП, равно как и полупроводникового р-п перехода, может быть использована как с целью выпрямления (детектирования), так и смешения (микширования) переменных сигналов. Кроме того, в связи с наличием специфической джозефсоновской генерации, будут наблюдаться и другие типы взаимодействия ДП с внешним переменным сигналом. Соответственно, возможно создание целого ряда приемных устройств. Их описание можно найти, например в [20 - 22], а краткое сравнение в [18].
Приведем здесь лишь их перечень: линейные устройства, использующие собственную генерацию в качестве накачки, — одночастотный параметрический усилитель [23, 24], широкополосный преобразователь вниз [25, 26], преобразователь вверх [27]; линейные устройства с внешней накачкой (гетеродином) — параметрический усилитель [28, 29], преобразователь вниз [30, 31], квадратичные детекторы -широкополосный и селективный детекторы [32 - 36].
Стоит отметить, что одним из первых практических применений ДП, было его применение в Фурье-спектроскопии дальней ИК области [37]. При этом переход использовался как неселективный квадратичный детектор, а в эксперименте измерялось подавление критического тока (см. ниже) излучением, выходящим из интерферометра Майкельсона.
Кроме использования нелинейных свойств, определяемых тунелированием электронных пар и ЭД, на протяжении уже многих лет также используется нелинейность, связанная с квазичастичным туннелированием в сверхпроводящих структурах типа SIS [38,39]. у ^
Среди всех приемных устройств, принцип действия которых основан на явлении сверхпроводимости, пожалуй, особое место занимают частотно-селективный детектор, основанный на нестационарном ЭД, н смеситель (преобразователь частот) с самонакачкой. Эти устройства, по сути, сами собой представляют спектрометры или спектроанализаторы. При своей работе, для измерения спектра они не требуют никакого дополнительного спектроскопического оборудования. Остальные устройства являются лишь приемными (регистрирующими, как детекторы, либо преобразующими, как смесители), а для получения спектральной информации необходимо дополнительное оборудование, вносящее селективность в процесс взаимодействия с внешним сигналом. Таким образом, частотно-селективный джозефсоновский детектор и смеситель с самонакачкой могут служить основой самостоятельных спектроскопических методик. Этот факт придает дополнительный стимул к исследованию возможностей их и основанных на них методик спектрального анализа [40,41].
В отличие от смесителя с самонакачкой, частотно-селективный джозефсоновский детектор является квадратичным устройством и обладает свойством аддитивности. Поэтому, он в большей мере пригоден для работы с непрерывными широкополосными сигналами, включающими в себя частотные компоненты, разнесенные на декаду и более. Было показано [40], что отклик частотно-селективного джозефсоновского детектора связан со спектром внешнего сигнала интегральным преобразованием Гильберта [42]. И поэтому, связанная с ним спектроскопическая методика получила название Гильберт-спектроскопии (ГС). Более подробно введение в теорию ГС будет изложено ниже в главе I.
ГС не сталкивается с описанными выше трудностями, присущими традиционным спектроскопическим методикам в промежуточной области частот по ряду причин. Во-первых, ее чувствительный элемент, т.е. селективный джозефсоновский детектор, является селективным по частоте внешнего излучения и может быть сделан довольно компактным. Во-вторых, все процессы, сопровождающие перестройку по частоте и измерения сигналов, являются электрическими. Их характерные времена, определяются в основном внешними электронными приборами, т.к. характерное время процессов, происходящих внутри ДП очень мало. Соответственно, возможны быстрые измерения. В-третьих, предельные разрешение и чувствительность ГС определяются только уровнем электрических шумов в охлаждаемом детекторе с довольно низким электрическим сопротивлением.
В современной экспериментальной и прикладной физике существует тенденция перехода от использования низкотемпературных сверхпроводников (НТСП) к высокотемпературным (ВТСП). Открытие ВТСП [43] существенно повысило интерес к возможности практического применения явления сверхпроводимости в электронике. Это повышение интереса связано, в первую очередь, с увеличением энергетической щели в спектре возбуждения сверхпроводников, а также с возможностью оптимизации рабочих параметров в более широком интервале температур.
Как будет показано ниже в главе 1, при изложении основ теории ГС, она является одной из немногих практических применений явления сверхпроводимости, для которых открытие ВТСП связано с появлением качественно новых возможностей именно в научно-прикладном смысле.
Современная ситуация в спектроскопии миллиметрового, субмиллиметрового и дальнего ИК диапазонов характеризуется появлением новых типов источников излучения. Так, наряду с уже широко распространенными газовыми лазерами дальнего
ИК диапазона (см. например [44]) и лампами обратной волны (ЛОВ) (см. например [45]), способными излучать монохроматические сигналы практически во всей данной спектральной области с мощностью, достигающей в непрерывном режиме нескольких милливатт и даже более, в различных областях физики появились мощные источники широкополосных сигналов. А именно, появились фотоэлектрические или электрооптические источники терагерцового диапазона, возбуждаемые фемтосекундным импульсным лазером [46], источники синхротронного или переходного излучения от релятивистских электронных пучков [47], квантовые каскадные лазеры [48].
Одним из основных свойств этих источников: является нестационарность происходящих в них физических процессов. Соответственно, их излучение, находящееся, в основном, в терагерцовой (1-^-10 ТГц) и субтерагерцовой (0,1-^-1 ТГц) областях, имеет импульсный характер с высокой частотой повторения, находящейся в районе мегагерц, и обладает высокой спектральной плотностью из-за концентрации излучения в очень коротких импульсах. Эти свойства дают принципиальную возможность увеличения отношения сигнала к шуму, либо скорости спектроскопических измерений по сравнению со случаем использования стационарных широкополосных источников.
Реализация такой возможности накладывает свои требования на приемники сигналов и спектроскопические методики в целом. Так одними из основных характеристик при оценке скоростных возможностей приемника являются постоянная времени, характеризующая протекающие внутри него процессы, и динамический диапазон (ДЦ) по мощности входного сигнала, в котором приемник может быть использован. Важными же характеристиками спектроскопической методики являются: скоростные свойства применяющихся электрических схем сбора и обработки данных, а также скоростные свойства системы сканирования вдоль спектра.
Наверное, не стоит рассматривать возможность использования в экспериментах с новыми импульсными источниками методики спектрального анализа с высоким разрешением, основанной на гетеродинном приеме, из-за больших сложностей при перестройке частоты в широких пределах и из-за довольно высокой частоты диапазона. Традиционная Фурье-спектроскопия, пригодная для данного частотного диапазона, наверное, никогда не позволит производить измерения с такими источниками в режиме "реального времени'* и полностью использовать преимущества этих источников высокой яркости из-за принципиальной необходимости механического перемещения частей установки на большие расстояния. Однако, она может применяться в медленном режиме с многочисленным усреднением [49]. Кроме того, в экспериментах с подобного рода источниками используются и другие медленные методики, например решеточная спектроскопия [50, 51].
В настоящее время, для работы с импульсными источниками терагерцового и субтерагерцового диапазонов используется интенсивно развивающаяся методика, получившая название "Terahertz time-domain spectroscopy" [52, 53]. Эта методика, работающая с мощными импульсными сигналами, включающая в себя линию задержки и детектор на основе эффекта фотопроводимости, использует Фурье-преобразование для восстановления спектра по регистрируемому сигналу, имеющему разрешение по шкале времени. С использованием этой методики уже был проведен ряд экспериментов по определению спектральных свойств некоторых объектов [54 - 57]. Недостатками данной спектроскопической методики являются невысокая чувствительность используемых приемных устройств и наличие механической линии задержки.
Все сказанное выше определяет интерес к развитию ГС в направлении работы с широкополосным излучением и излучением, имеющим импульсный характер. Данная работа посвящена экспериментальному исследованию свойств частотно-селективного джозефсоновского детектора на основе ВТСП ДП, а также практическому исследованию возможности его использования в ГС для измерения широкополосных спектров электромагнитного излучения субтерагерцового диапазона.
Данная работа состоит из введения и 3 глав; содержит 135 страниц, 39 рисунков, 3 таблицы и список ссылок из 143 пунктов.
Выбор типа джозефсоновских переходов для Гильберт-спектроскопии
Как следует из сказанного в разделе 1.2, основным элементом ГС и Гильберт-спектрометра является частотно-селективный джозефсоновский детектор, представляющий собой ДП, работающий в режиме нестационарного ЭД, Как было показано, уникальные свойства ДП определяют саму принципиальную возможность ГС. Поэтому, его электрические параметры не только качественно, но и количественно характеризуют особенности спектроскопии, основанной на его свойствах. Таким образом, выбор ДП для построения макета Гильберт-спектрометра является очень важным и во многом основополагающим моментом. Раннее было проведено несколько экспериментов ло методике ГС с использованием ИТСП ДП: [40, 78 - 81]. В последнее время, после открытия ВТСП материалов, были также проведены аналогичные эксперименты с использованием ВТСП ДП [67, 68, 70 - 74]. Результаты этих опытов показывают, что использование ВТСП ДП приводит к расширению области рабочих температур, увеличению частотной полосы функционирования и, вероятно, к повышению точности спектроскопических измерений. Выбор ВТСП ДП для данной работы обусловлен тем фактом, что энергетическая щель у ВТСП материалов находится при значительно более высоких значениях (20 60 мэВ), чем у НТСП материалов (порядка нескольких мэВ). Соответственно, (см. раздел 1.2) в более широком диапазоне частот принципиально возможна джозефсоновская генерация, а значит и ГС. Кроме того, в более широком диапазоне напряжений принципиально возможно ожидать выполнения для характеристик реальных ДП упрощенной резистивной модели. УВагСизСЬ-х, на фоне остальных ВТСП материалов, обладает относительно более простой орторомбической кристаллической структурой, а также является наиболее технологичным и изученным материалом. В настоящее время существуют несколько различных типов ВТСП ДП, Основными из них являются переходы на ступеньке подложки, на бикристаллической границе в подложке и торцевые переходы. Среди этих основных типов, ДП на бикристаллической подложке обладают наилучшей воспроизводимостью электрических параметров, что, по видимости, является следствием относительной простоты технологии изготовления. Однослойные планарные структуры, типа ДП на бикристаллической подложке, производятся без многоразового повтора процессов напыления и химического травления. Ввиду относительно более простой геометрии (двумерные структуры, отсутствие конструктивной необходимости электрического транспорта вдоль всех трех кристаллографических осей), образуемая слабая связь имеет малую толщину, а энергетический барьер - более простую форму.
Поэтому, в этих структурах следует ожидать лучшей однородности транспортных характеристик и более низких шумов, что является важным при необходимости исследования электрических процессов в динамике в довольно широком диапазоне. На момент начала данной работы существовали данные о взаимодействии ВТСП ДП на бикристаллической границе с электромагнитным излучением субтерагерцового и терагерцового диапазонов, в то время как для других типов ВТСП переходов, такая информация практически отсутствовала. Попытка использования для этой цели ДП на ступеньке подложки [82] выявила значительные проблемы. Эти проблемы обусловлены, в основном, их сложной структурой, определяемой принципиальной трехмерностью подобных ДП, и связанным с ней усложнением электротранспортных характеристик. ДП, выращенные на бикристаллической подложке, позволяют менять усредненную по площади перехода плотность критического тока путем варьирования угла разъориентации [83 - 85]. Слабая связь, определяющая джозефсоновские свойства перехода, выращенного на бикристаллической подложке, образуется благодаря энергетическому барьеру между его сверхпроводящими берегами. Этот барьер образуется из-за рассогласования кристаллографического порядка в ВТСП материале при эпитаксиальном сращивании частей пленки, растущих по разные стороны бикристаллической границы в подложке, а также, возможно, вследствие локального выхода атомов кислорода [86, 87]. Согласно работе [86], этот вид ДП следует рассматривать как туннельный контакт с внутренним шунтом. Согласно развитому в этой работе представлению, для электронных пар характерен туннельный механизм прохождения сквозь энергетический барьер, образовавшийся на границе. В то же время, квазичастицы проникают сквозь барьер через локализованные подбарьерные состояния. Поэтому, данный тип ДП достаточно хорошо описывается простой резистивнои моделью, что принципиально необходимо для ГС. Среди всех материалов (сапфир, MgO, вгТіОз, ЬаАЮз, NdGaOj), используемых в качестве подложек для напыления УВагСизСЬ-х, рассогласование параметров кристаллической решетки с УВагСизСЬ-х наименьшее у NdGaCb- По этой причине эпитаксиальные пленки УВаїСизО?- , выращенные на данной подложке имеют высокое качество, а именно - высокую температуру фазового перехода - до Тс — 92 К. К моменту начала данной работы была развита технология приготовления эпитаксиальных УВагСизО - пленок путем распыления стехиометрических мишеней постоянным током в атмосфере кислорода [88] и приготовления УВагСизСЪ-х ДП на бикристаллических подложках из NdGaCb [89 - 91]. Тонкопленочные УВагСіїзОт-х ДП, выращенные эпитаксиально на бикристаллической подложке (110) NdGaOj демонстрируют малые отклонения от упрощенной резистивной модели и высокие величины характерного напряжения Vc которые достигают 300 мкВ и даже выше при температуре кипения жидкого азота [89]. С повышением значения параметра Vc возрастает чувствительность ДП (см. (10)), к внешнему излучению, а также диапазон частот, в котором возможна джозефсоновская генерация в данном ДП, а значит и ГС.
Были получены экспериментальные данные о наблюдении в этих объектах, обладающих слабой связью, джозефсоновской генерации в частотном интервале до нескольких сотен гигагерц [67, 68]. Позднее, этот частотный интервал был расширен на диапазон от нескольких гигагерц до нескольких терагерц [70, 71, 73, 74]. Этот факт является основанием для попытки использования данных переходов для широкополосной ГС [40] в представленном диапазоне частот. Все вышеперечисленные факты и определили выбор типа основного элемента для разработки макета частотно-селективного джозефсоновского детектора для потенциального применения его к измерению широкополосных спектров в рамках ГС. В данной работе использовались тонкопленочные бикристаллические УВагСщС -х ДП, изготовленные к.ф.-м.н. Ю. Я. Дивиным в Исследовательском центре г. Юлиха (ФРГ). Бикристаллические подложки из NdGaC 3 были изготовлены д.т.н. И. М. Котелянским в ИРЭ РАН. Внешний вид использовавшихся ДП показан на рис. 3 и 4. Переходы изготавливались из тонких УВагСиз07-х пленок, эпитаксиально выращиваемых на бикристаллических подложках из NdGaC»3, путем формирования относительно узких мостиков с использованием химического травления [71, 89 - 92]. Для создания мостиков, использовались с — ориентированные пленки УВагСизСЬ-х, а бикристаллическаяразориентация происходила, соответственно, в плоскости a-b. Принято считать, что для роста тонких с - ориентированных УВагСщО;. пленок характерен островковый механизм роста. Наличие островков роста приводит к отклонениям в форме бикристаллической границы в ВТСП материале от ее направления в подложке, а также к неоднородности токового распределения вдоль
Согласование излучения с джозефсоновским переходом внутри макета частотно-селективного джозефсоновского детектора
Для работы Гильберт-спектрометра в максимально широкой полосе частот, помимо определенных свойств его детектора и электронной части, необходимо обеспечить широкополосное согласование детектора: с излучением, которое бы обладало, по возможности, минимальными потерями и дисперсией. Этот вопрос наилучшим образом может быть решен путем квазиоптического согласования с использованием элементов, обладающих малыми поглощением и дисперсией в интересующем частотном диапазоне. В качестве направляющих и фокусирующих элементов, в данной работе, использовались, в основном, отражающие элементы, а именно: металлические эллиптические и параболические зеркала. Применявшиеся линзы были выполнены из чистого, с высоким удельным сопротивлением, кремния. Выбор кремния обусловлен его высокой прозрачностью и исключительно малой дисперсией в рабочем диапазоне частот. В качестве теплых и охлаждаемых окон оптических криостатов использовались относительно тонкие пластины тефлона и кварца. Основные части оптической схемы показаны на блок-схеме рис. 5. Излучение источника, формируясь зеркалами и корректируясь фильтрами, проходит квазиоптический тракт, в котором располагается исследуемый объект, спектральные свойства которого надо было исследовать, и фокусируется на частотно-селективный джозефсоновский детектор. Для согласования излучения с частотно-селективным джозефсоновским детектором использовался стандартный подход для приемников субтерагерцового диапазона с использованием широкополосной антенны и гиперполусферической линзы.
Нами использовалась планарная логопериодическая серебряная антенна, внешний вид которой показан на рис. 3 и 4. Подобная структура является самоподобной антенной стоячей волны в широком диапазоне частот, определяемом размерами ее структурных элементов. Размеры структурных элементов антенны находились в пределах 10- 1000 мкм. Гиперполусферическая линза составлялась из кремниевой полусферы радиусом г, = 5 мм и дополнительной плоско-параллельной кремниевой пластинки, толщина которой связана с радиусом полусферы соотношением: h = rjnsi 1,45 мм, где «я показатель преломления кремния. Данный размер дополнительной пластинки соответствует оптимальной фокусировке высокочастотного излучения, когда дифракция не играет заметной роли. Использование такой пластинки, толщина которой несколько меньше величины, следующей из рассмотрения эффекта фокусировки гиперполусферической линзой [107] при работе с гауссовыми пучками, было вызвано желанием улучшить согласование в высокочастотной части диапазона. Использование подобной линзы приводит к выигрышу в согласовании из-за концентрации излучения и сбора его антенной из пространства с большим телесным углом, т.е. из-за приведения в соответствие диаграммы направленности антенны и части пространства, из которого поступает излучение. При работе с фокусирующими элементами с отношением фокусного расстояния к апертуре равным 2, которые использовались в работе, выигрыш от увеличения угла сбора излучения составляет примерно G — 10-45 раз. Серебряная структура, используемая в качестве антенны, находилась на границе раздела двух сред (кремния - Si и галлата ниодима - NdGaOs) с показателями преломления, отличными от 1, и излучение подводилось со стороны кремния.
Поэтому, имели место увеличение эффективной длины волны излучения, непосредственно взаимодействующего с антенной, в ./— раз, где є і и Є2 - диэлектрические постоянные сред по разные стороны антенны, и перенос рабочей полосы частот антенны в область 40 ГГц 4 ТГц. Вся система согласования ДП с излучением, т.е. серебряная антенна, находящаяся на границе раздела сред - Si и NdGaC 3, согласно работам [108, 109] имела активное волновое сопротивление, определяемое по формуле: Тогда, для описанной антенны Ra 46 Ом. По сравнению с таким довольно высоким собственным сопротивлением антенны, паразитными внутренними сопротивлениями материалов, из которых сделаны антенна и ДП, а также контактными сопротивлениями: можно пренебречь. Высокие значения активного волнового сопротивления антенны определяют высокие потери (порядка 50-ти раз) в электрическом согласовании с ДП, имеющем нормальное сопротивление порядка 1 Ом. Кроме того, будет наблюдаться двукратное рассогласование по мощности сигнала из-за засветки антен ны только из одной половины пространства. Также, будет присутствовать близкое к двукратному рассогласование с хаотично поляризованным излучением из-за селективной по направлению поляризации чувствительности использованной антенны. В квазиоптическом тракте согласования излучения с детектором, будут наблюдаться потери, связанные с дифракцией излучения и диафрагмирующем действием апертур используемых оптических элементов, которые могут быть рассчитаны с учетом длины тракта. Также будут иметь место потери из-за отражения от поверхностей раздела диэлектрических сред, через которые проходит излучение. Коэффициент отражения от границы раздела двух диэлектрических сред определяется граничащих сред, а от диэлектрической пластины при нормальном падении с учетом интерференции волн, отраженных от разных ее сторон определяется по формуле:
Анализ неселективных механизмов детектирования на джозефсоновском переходе
При проведении экспериментов в рамках ГС с использованием широкополосного излучения от Hg-лампы, часть излучения, не входящая в рабочую полосу частотно-селективного детектирования на ДП, может давать паразитный вклад в его отклик. Этот вклад может быть разных видов. Высокочастотная (по отношению к рабочей области ГС) часть излучения, имеющая в спектре Hg-лампы высокую интегральную мощность, поглощаясь в детекторе, может приводить к его разогреву и появлению болометрического неселективного отклика. Этот болометрический отклик связан с изменением под действием тепла критического тока ДП (/с). А именно: Тогда, дифференцируя ВАХ ДП (8) и используя продемонстрированную в разделе 3.1 линейную зависимость критического тока перехода от температуры Т и 0 соответственно, 7" - температурный параметр, определяемый из зависимости 1С(Т) (см. рис. 9), будем иметь: где Д71 - повышение температуры ДП, вызванное поглощением высокочастотного d сопротивление ДП. [l2-llj2 Низкочастотная часть излучения может детектироваться неселективным образом на ДП путем классического детектирования на элементе, имеющем нелинейную ВАХ. Рассмотрим механизм классического детектирования переменного сигнала на ДП, при нахождении его на резистивном участке ВАХ. Пусть помимо постоянного тока смещения {То 1С) к переходу приложен слабый переменный сигнал - Asiacot {А« їо-Іс). Тогда мгновенное значение напряжения на ДП будет:
Раскладывая это выражение в ряд по малому параметру, н усредняя по времени получим: Тогда отклик: т.е. величина отклика пропорциональна квадрату амплитуды переменного сигнала и второй производной от ВАХ ДП, или первой производной дифференциального сопротивления перехода. Из данного рассмотрения следует, что для классического детектирования нелинейный элемент (в данном случае ДП) должен иметь стационарную по отношению к внешнему сигналу ВАХ. В случае ДП это выполняется для частот внешнего сигнала значительно ниже частот собственной джозефсоновской генерации (/«/, = ). h Более конкретный критерий частотной области, сигналы которой детектируются на нелинейной ВАХ ДП классическим образом, будет рассмотрен ниже. Зависимости неселективных откликов различной природы, определяемых формулами (32) и (35), от постоянного смещения для ДП с Дп = 1 Ом и Vc = 1 мВ при Т = 50 К представлены на рис. 21. Здесь также, для сравнения, приведена зависимость дифференциального сопротивления ДП, вычисленная при учете широкополосных тепловых флуктуации. Проблема предварительной фильтрации чрезвычайно широкополосного излучения Hg-лампы частично решалась с помощью фильтра, входящего в состав макета частотно-селективного джозефсоновского детектора (см. ниже). Этот фильтр имел полосу пропускания 1+250 см (30 7500 ГГц). Кроме этого, использовались фильтры, отсекающие как высокие, так и низкие частоты. Описание и характеристики фильтров буду представлены ниже. Внешний вид и блок-схема экспериментальной установки для исследования работы частотно-селективного джозефсоновского детектора в рамках ГС с широкополосным излучением [121] представлены на рис. 22. Hg-лампа была помешена в первичный фокус металлического эллиптического отражателя. Ее излучение собиралось и фокусировалось во вторичном фокусе отражателя, при этом оно фильтровалось по пути с помощью отражающей металлической дифракционной решетки (эшеллетта [2]), расположенной под углом 0 = 45 к оптической оси Рис. 21. Расчетные зависимости откликов ДГ от напряжения на джозефсоновском переходе при неселективных механизмах детектирования излучения, а -болометрический отклик, связанный с разогревом высокочастотными составляющими, b - отклик из-за классического детектирования низкочастотных составляющих. Для сравнения представлена зависимость дифференциального сопротивления джозефсоновского перехода от напряжения. Параметры перехода: Rn = 1 Ом и Vc = 1 мВ при Т =50 К. распространения излучения. Принцип действия эшеллетта, как фильтра, основан на разделении в пространстве при дифракции высокочастотных и низкочастотных составляющих широкополосного излучения (проиллюстрирован на рис. 23). Низкочастотное излучение с длиной волны больше периода решетки отражается от ее главной плоскости (для него эшеллетт имеет плоскую гладкую поверхность), в то время как высокочастотное, с длиной волны меньше периода, отражается от плоскости блеска. При этом плоскость блеска эшеллетта повернута относительно его главной плоскости на некоторый угол. В данном эксперименте использовалась решетка с периодом р = 50 мкм и углом блеска 5 = 20. При этом в нулевой порядок дифракции попадало и проходило дальше в оптический тракт излучение с длинами волн "К 2pcos0sin5 22 мкм, что соответствует частотам/ 15 ТГц. Во вторичный фокус эллиптического отражателя был помещен оптический прерыватель, который модулировал излучение. Вторичный фокус эллиптического отражателя был совмещен с первичным фокусом параболического металлического зеркала, которое в результате формировало квазипараллельный пучок.
Этот пучок попадал на второе параболическое металлическое зеркало и фокусировался им на ДП с планарной широкополосной антенной и гиперполусферической линзой, которые находились внутри макета частотно-селективного джозефсоновского детектора. В оптический тракт между двумя параболическими зеркалами, где излучение имело плоский волновой фронт, вставлялись различные частотно-селективные элементы, спектральные свойства которых исследовались. Специально для этого эксперимента был создан макет частотно-селективного джозефсоновского детектора, схема которого представлена на рис. 24. Криогенная часть этого макета базировалась на оптическом гелиевом криостате HDL - 5 фирмы INFRARED Laboratories, INC, который обладает платформой с регулируемой температурой и позволяет варьировать рабочую температуру ДП. Тем самым варьировались критический ток (7С) и характерное напряжение (Vc = ICR„) ДП, которые определяют чувствительность и рабочую полосу частот Гильберт-спектрометра. Главной частью макета, представленного на рис. 24 является ДП, снабженный широкополосной антенной, который располагается в криостате на площадке, задающей рабочую температуру. Внешнее излучение проходит внешнее тефлоновое окно криостата, охлаждаемый кварцевый фильтр с полосой пропускания 30 7500 ГГц и фокусируется на ДП с помощью гиперполусферической линзы. Постоянное электрическое смещение на ДП и предварительное усиление сигналов с него осуществляются блоком аналоговой электроники, который питается от аккумуляторов. L Рис. 23. Разделение высокочастотных и низкочастотных составляющих широкополосного спектра с помощью отражающей дифракционной решетки (эшеллетта).
Исследование работы частотно-селективного джозефсоновского детектора с импульсным излучением
Сочетание широкой рабочей полосы частот, большого ДЦ, высокой чувствительности, а также принципиальной возможности проведения быстрых измерений открывают широкие возможности для практических применений ГС. Эти применения могут иметь место в различных областях физики, где необходимы измерения электромагнитного излучения субтерагерцового и терагерцового диапазонов. В последнее время, данная область частот привлекает все большее внимание в связи с появлением в различных областях физики процессов, сопровождающихся излучением мощных импульсных сигналов [46 - 51]. Как уже отмечалось во введении, эти новые источники широкополосных сигналов позволяют повысить скорость спектроскопического эксперимента благодаря высокой частоте повторения импульсов излучения, лежащей в мегагерцовой области, и высокой спектральной яркости. Осуществление возможности работы с этими источниками и использование преимуществ, предоставляемых ими, связано с разработкой скоростного макета Гильберт-спектрометра. Каждый из макетов частотно-селективного джозефсоновского детектора, состоящих из ДП и широкополосных аналоговых электронных схем, описанных в разделе 2.4, потенциально пригоден для использования в скоростном макете Гильберт-спектрометра. При создании скоростного макета Гильберт-спектрометра, также отдельную задачу составляет создание быстрой цифровой электронной системы для управления экспериментом и сбора экспериментальных данных. Эта задача решалась электронной лабораторией Исследовательского центра г. Юлиха (ФРГ). Параметры созданной и использованной в данной работе цифровой электронной системы представлены в приложении 1. Далее, для определенности, при описании скоростного макета Гильберт-спектрометра и его использования с источниками импульсных сигналов будем рассматривать макет частотно-селективного джозефсоновского детектора с аналоговой электронной схемой, работающей в режиме задания и поддержания тока через ДП (рис. 7). Выбор данной конфигурации объясняется возможностью обеспечения чуть более широкой частотной полосы ( 10 МГц).
Этот факт является важным, т.к. в рамках ГС, наряду с каналом измерения отклика, необходим канал измерения невозмущенной В АХ ДП. Измерения величин, соответствующих невозмущенной ВАХ и отклику ДП, должны быть проведены при постоянном электрическом смещении независимо, что возможно только при разнесении этих измерений во времени. Соответственно, аналоговая часть электронной схемы должна успевать отслеживать возмущения, вызванные импульсами излучения, и релаксировать обратно. Таким образом, важно иметь по возможности наилучшее воспроизведение временной структуры излучения. Кроме того, наилучшее воспроизведение детектором формы сигнала требуется для оптимизации чувствительности, т.е. соотношения сигнал/шум. Измерения импульсного сигнала в течение времени, большего, чем реальная длительность импульса, приводят к усреднению шумов в отсутствии полезного сигнала и уменьшению соотношения сигнал/шум. При расширении частотной полосы измерительной электронной схемы увеличивается уровень шумов в системе, и, соответственно, ухудшается предельная чувствительность, т.е. возрастает нижняя граница ДД детектора. Сам ДД при этом сокращается. Переход от измерений в полосе 1 Гц, как это было при относительно медленных экспериментах, описанных в разделе 3.2, к полосе 10 МГц, реализованной в скоростном макете частотно-селективного джозефсоновского детектора, приведет к уменьшению ДД примерно на 35 дБ. Это значительное уменьшение величины ДД не должно приводить к каким-либо существенным трудностям, т.к. продемонстрированный в разделе 3.2 ДД превосходил 50 дБ. Это значит, что при быстрых измерениях останется еще довольно большой запас по ДД - около 20 дБ. Тестирование параметров скоростного макета Гильберт-спектрометра при измерении спектров импульсного внешнего излучения проводилось на экспериментальной установке, схожей с установкой, применявшейся для измерения ДД частотно-селективного джозефсоновского детектора (см. рис. 15). Отличиями двух установок являлись блоки цифровой электроники — системы управления, сбора и передачи данных. В данном эксперименте были использованы скоростные их варианты, разработанные в электронной лаборатории Исследовательского Центра г. Юлиха (см. приложение 1). Весь процесс электрических измерений управлялся с портативного персонального компьютера с помощью специализированного программного обеспечения, также созданного в электронной лаборатории, через порт RS232. Кроме того, для визуализации и дополнительного контроля характеристик измерительной системы использовался осциллограф TDS-220 (фирмы Tektronix Instruments). Как и в разделе 3.2, в качестве источника монохроматичного излучения был использован диод Ганна с рабочей частотой 94 ГГц. Сигнал, проходя волноводную линию, модулировался с помощью PIN-диода, и его мощность регулировалась с помощью калиброванного аттенюатора с диапазоном 60 дБ. В качестве сигнала модуляции для PIN-диода использовался импульсный сигнал от программируемого генератора импульсных сигналов фирмы Hewlett Packard (НР-8П10А). Сигнал модуляции представлял собой непрерывную последовательность импульсов длительностью 200 не с периодом повторения 1 мкс.
В этом опыте, как и при экспериментальном исследовании ДД в медленном режиме, тоже использовался квазиоптический тракт согласование излучения с ДП, находящимся в макете частотно-селективного джозефсоновского детектора (рис. 24). Форма сигнала с частотно-селективного джозефсоновского детектора при фокусировке на него импульсного излучения с частотой 94 ГГц показан на рис. 32. Как видно из этого рисунка, отдельные импульсы представленной выше временной структуры могут быть полностью разрешены с помощью данного макета. Это является наглядной демонстрацией его скоростных возможностей. Из представленной картинки очевидно, что каналы измерения отклика ДП и его невозмущенной В АХ могут быть легко разнесены во времени. Специализированный блок цифровой электроники совместно с программным обеспечением (см. приложение 1) позволяли проводить измерения в режимах отсутствия интегрирования на входе, т.е. съем пикового значения, а также в режимах с различными видами интегрирования. Так окно на входе интегратора могло иметь как простую форму, при которой интегрирование производится в течение промежутка времени [fi, fc], так и сложную - интегрирование в течение нескольких равных промежутков времени: [/], fc]; [h, U\ и т.д.. Кроме того, было возможно усреднение данных на выходе путем суммирования целых массивов данных. Очевидно, что использование режимов измерения с интегрированием по сложному окну и с усреднением на выходе помимо повышения соотношения сигнал/шум приводит к увеличению длительности эксперимента. Поэтому, предельные скоростные характеристики проведения измерений с макетом Гильберт-спектрометра могут быть получены в режимах с отсутствием функции интегрирования и с использование интегрирования по простому окну, захватывающему один импульс. Однако, как следует из приложения 1, минимальное время проведения эксперимента определялось техническими возможностями задающего канала цифровой системы управления. Так переход к новому значению постоянного смещения мог быть
