Використання лазерних методів в задачах діагностики та метрології при виробництві оптоелектронних компонентів радіоелектронних засобів озброєння - Автореферат

Розвиток озброєнь і військової техніки (ОВТ) відбуватиметься за наступними пріоритетними напрямами: - створення нових і модернізація існуючих радіоелектронних засобів озброєння (РЕЗО): автоматизованих інформаційних систем управління та звязку; засобів розвідки, радіоелектронної боротьби, захисту обєктів від високоточної зброї; комплексів високоточної зброї та артилерійських систем; озброєнь, що діють на нетрадиційних фізичних принципах; авіаційного озброєння та техніки; кораблів класів “фрегат” і “корвет”; Розвиток майже усіх наведених напрямків неможливий без використання сучасних оптико-електронних приладів, які дозволяють виявляти та супроводжувати обєкти, вимірювати дальність, азимут та швидкість; забезпечувати точність наведення зброї, передавати та приховувати інформацію, тощо. Особливо це відноситься до напівпровідникових зєднань, для яких характерно кілька механізмів генерації когерентного випромінювання, що залежать як від стехіометричного складу, рівня легування та робочої температури, так і від геометрії резонатора та рівня втрат лазера. Це, свого часу, вимагає розробки та удосконалення методів і засобів виміру оптичних параметрів, які повязані як з недосконалістю напівпровідникових кристалів, так і з впливом оптичного й електронного накачування, оптичної неоднорідності вихідних матеріалів та часу життя нерівноважних носіїв, і забезпечують високу чутливість, точність і розрізнювальну здатність у широкому діапазоні вимірів. Дисертаційна робота та її результати повязані з міжгалузевою науково-технічною “Програмою розвитку найбільш конкурентноспроможних напрямків мікроелектроніки в Україні” (№1-14/473 від 24.06.98 р.), планами науково-дослідних робіт ВАТ “Наукове-виробниче підприємство “Сатурн” та виконано в рамках НДР “Дослідження проблем створення та модифікації властивостей нових багатокомпонентних матеріалів оптоелектроніки та сенсорики“ та ДКР “Розробка конструкцій і технологій виготовлення ряду арсенід-галієвих НВЧ транзисторів середньої потужності робочого діапазону 18 ГГЦ для систем спеціального призначення“, шифр “2-1”, РК 0102U003896, ОК 0202U005473.Показано, що лазери на вуглекислому газі найперспективніші для застосування в даній предметній області завдяки можливості одержання великих потужностей з одиниці довжини, малому поглинанню випромінювання, високою стабільністю параметрів та широкою можливістю створення різноманітних конструкцій. Для метрологічних задач лазер повинен бути одномодовим, одночастотним з можливістю перестроювання робочих переходів, на яких здійснюється генерація, мати високу стабільність по частоті та амплітудному значенню потужності випромінювання та задовольняти низці додаткових вимог по розходимості, коливанню діаграми спрямованості тощо. Таким чином, застосування одночастотних СО2 лазерів в інтерферометрії дозволяє збільшити діапазон вимірювань у порівнянні з іншим. Розглянуто особливості існуючих методів та засобів модуляції випромінювання і запропонована найбільш ефективні для створення одночастотного одномодового СО2 - лазера. Сформульовано загальне наукове завдання дисертації, та його основні складові, що повязані з удосконаленням методів розрахунку параметрів і конструюванням СО2 - лазера, застосуванням його у імпульсних фазових методах вимірювання основних параметрів напівпровідникових сполук.У дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення актуальної наукової задачі, сутність якої полягала в удосконаленні методів діагностики напівпровідникових активних середовищ оптоелектронних виробів радіоелектронних засобів озброєння. Вперше розроблено структурну схему та реалізовано цифровий оптичний імпульсний фазометр з дискретною обробкою сигналу. Розроблено модель взаємозвязку структурних та оптичних властивостей напівпровідникових сполук A2B6 та A3B5. Наукова новизна полягає в тому, що вперше, на основі експериментальних досліджень та вивчення фізичних явищ у напівпровідникових активних середовищах лазера, розроблено модель, що описує взаємні впливи структурних та оптичних дефектів та властивостей цих сполук. Розроблено нові методи виміру температури твердого тіла на основі виміру фазового зсуву випромінювання лазера та на принципах фазометричного контролю зміни довжини оптичного шляху випромінювання, що викликана нагріванням (охолодженням) обєкту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення актуальної наукової задачі, сутність якої полягала в удосконаленні методів діагностики напівпровідникових активних середовищ оптоелектронних виробів радіоелектронних засобів озброєння.

Головні наукові та практичні результати: 1. Удосконалено фазометричний метод дослідження властивостей напівпровідників із використанням СО2-лазера.

Наукова новизна методу полягає в тому, що на відміну від існуючих відзнакою даного методу є імпульсний режим роботи. Вперше розроблено структурну схему та реалізовано цифровий оптичний імпульсний фазометр з дискретною обробкою сигналу. Він має швидкодію 0,3 - 0,5 мкс, що майже на два порядки більше швидкодії, ніж у методі вимірювання стаціонарних фазових зсувів.

2. Розроблено модель взаємозвязку структурних та оптичних властивостей напівпровідникових сполук A2B6 та A3B5.

Наукова новизна полягає в тому, що вперше, на основі експериментальних досліджень та вивчення фізичних явищ у напівпровідникових активних середовищах лазера, розроблено модель, що описує взаємні впливи структурних та оптичних дефектів та властивостей цих сполук. Модель заснована на повному визначені ступеня легування, дефектів, домішкового складу кристалів з величиною комплексної діелектричної проникності

IMG_31bebd88-44dc-49fd-be61-8da6c126ffa1 . На її основі показана можливість визначення зміни показника переломлення з точністю

IMG_8d423832-0569-43c7-99ba-5fbc2abc57e5 ~ 10-7-10-8 і коефіцієнта поглинання середовищ

IMG_ff5d6e8a-5f5b-4084-8f23-8327a1498f33 10-2-10-3. Цим доведена висока чутливість фазових методів вимірювань для кількісного визначення концентрації носіїв заряду в напівпровідниках.

3. Знайшли подальший розвиток методи дослідження оптичної неоднорідності і її звязку з електрофізичними характеристиками напівпровідників, виміру часу життя носіїв заряду. Розроблено новий метод виміру температури твердого тіла на основі фазового зсуву випромінювання лазера.

Наукова новизна методу виміру неоднорідності полягає в тому, що його принцип дії заснований на скануванні лазерного пучка, що дозволяє одержувати інформацію про просторовий розподіл по зразку змін показників поглинання та переломлення з дозвільнючою спроможністю 10 мкм. Вимірювання часу життя носіїв заряду в напівпровідниках забезпечується при інтенсивності люмінесценції до 10-10 Вт з абсолютною похибкою 0,25 нс. Розроблено нові методи виміру температури твердого тіла на основі виміру фазового зсуву випромінювання лазера та на принципах фазометричного контролю зміни довжини оптичного шляху випромінювання, що викликана нагріванням (охолодженням) обєкту.

Розроблено структурну схему, конструкцію активного елемента та резонатора одномодового, одночастотного стабілізованого по частоті і потужності СО2-лазера. Розроблено і експериментально перевірено метод амплітудної модуляції з глибиною 80% на основі кристалів CDS. Вперше розроблені методи та засоби вимірювання температури твердих тіл на основі контролю фазового зсуву та зміни довжини оптичного шляху, викликаної нагріванням досліджуваного обєкту. Точність методів становить 0,001 0С. Запропоновано використання метода фазометрії та розроблені відповідні засоби для вимірювання: оптичної неоднорідності кристалів сполук; часу життя неосновних носіїв заряду; впливу дефектів структури на оптичні властивості кристалів. Розроблено технологію створення на основі кристалів сполук А2В6 і А3В5 деяких приладів: багатоелементних лазерів; монолітних світлодіодних матричних екранів; ІЧ-світлодіодів підвищеної потужності.

На основі отриманих наукових результатів розроблено структурну схему, конструкцію активного елемента та резонатора одномодового, одночастотного стабілізованого по частоті і потужності СО2-лазера. Розроблено і експериментально перевірено метод амплітудної модуляції з глибиною 80% на основі кристалів CDS.

Таким чином, сукупність отриманих у дисертації нових наукових результатів, їх наукова та практична значимість дозволяють вважати, що сформульоване вище наукове завдання вирішено, а мета дослідження, яка полягала у підвищенні ефективності функціонування оптоелектронних виробів радіоелектронних засобів озброєння, досягнута.

1. Лазери в метрології напівпровідників: Монографія / В.В. Видолоб, О.С. Гаркавенко, С.В. Лєнков, В.А. Мокрицький. - Одеса: Поліграф, 2006. - 270 с.

2. Напівпровідникові лазери з електронним накачуванням. Том 2. Активні середовища. Розробка приладів. Монографія / О.С. Гаркавенко, С.В. Лєнков, В.А. Мокрицький, В.В. Видолоб. - Одеса, Поліграф, 2006. - 456 с.

3. Видолоб В.В. Удосконалення методики контролю температури твердих тіл лазерним інтерференційним методом // Збірник наукових праць Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка. - К., 2006. - №5. - С 32-35.

4. Видолоб В.В. Дослідження впливу умов оптичної та електронної накачки на коефіцієнт пропускання та зсуву фази інфрачервоного випромінювання для кристалів CDS й GAAS // Нові технології. - Кременчук, - 2006. - № 3 (13). - С.35-39.

5. V.V. Vydolob. Analysis and calculations of parameters of the active element and resonator of gas laser // Межведомственный научный сборник “Фотоэлектроника”, - 2007 - ?1. - С 40-43.

6. Лєнков С.В, Зубарєв В.В., Лукомський Д.В., Видолоб В.В. Дефекти кремнієвих фотоелектричних перетворювачів // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Військово-спеціальні науки. - К, 2006. - ?12. - С.19-23.

7. Лєнков С.В, Зубарєв В.В., Лукомський Д.В., Видолоб В.В. Методика дослідження оптичної неоднорідності напівпровідникових матеріалів, що використовуються для створення інфрачервоних лазерів // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Військово-спеціальні науки. - К., 2006. - ?13. - С.63-65.

8. Лєнков С.В., Гаркавенко М.І., Видолоб В.В. Порівняльний аналіз методів контролю оптичних властивостей напівпровідників, які використовуються в елементах оптоелектроніки інфрачервоного діапазону прожектора // Збірник наукових праць Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка. - К., 2006. - ?2. - С. 88-93.

9. Лєнков С.В., Пашков О.С., Видолоб В.В. Дослідження модуляційних властивостей кристалів CDS в інфрачервоному діапазоні при оптичному накачуванні // Збірник наукових праць Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка. - К., 2006. - ?3. - С. 56-59.

10. Лєнков С.В., Мокрицький В.А., Лукомський Д.В., Видолоб В.В. Дослідження термопружного механізму впливу високоенергетичного електронного пучка на досконалість напівпровідникових кристалів // Збірник наукових праць Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка. - К., 2006. - ?4. - С. 65-71.

11. Ленков С.В., Гаркавенко А.С., Браун В.О., Выдолоб В.В. Диоды ИК- излучения повышенной мощности // Вісник Черкаського державного технологічного університету. - Черкаси, 2006. - С. 175-177.

12. Лєнков С.В.,Вишнівський В.В., Шваб В.К., Видолоб В.В. Математична модель аналогової ІМС для контролю її технічного стану параімпульсним методом / Збірник наукових праць Одеського інституту Сухопутних військ. - 2006. - №12. - С.70-73 .

13. Лєнков С.В., Видолоб В.В., Лукомський Д.В., Сєлюков О.В. Обґрунтування побудови алгоритму оптимізації технологічних структур системи випробування складних технічних систем // Збірник наукових праць Одеського інституту Сухопутних військ. - 2006. - №12. - С. 66-69 .

14. Лєнков С.В., Лукомський Д.В., Видолоб В.В., Синіцин В.С. Дослідження механізмів нестабільності властивостей планарних транзисторів // Збірник Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка. - К., 2005. - №1. - С. 89-94.

15. Лєнков С.В., Лукомський Д.В., Видолоб В.В. Керування технологічними процесами виготовлення ФЕП для систем енергозабезпечення РЕЗО // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Військово-спеціальні науки. - К., 2007. - №14. - С.15-17.

16. Лєнков С.В., Видолоб В.В., Пашков О.С. Дослідження впливу термічних градієнтів при виготовленні електронних приладів на процеси дефектоутворення // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Військово-спеціальні науки. - К., 2007. - №15. - С.77-80.

17. Лєнков С.В., Лепіх Я.І., Видолоб В.В., Перегудов Д.О. Аналіз ефективності оптичних цифрових імпульсних фазометрів // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. - 2007. - № 1 - С.67-70.

18. Тихонова Л.П., Выдолоб В.В., Бакай Э.А. Развитие исследований в области химии платиновых металлов в Украине // Сборник трудов Второй международной конференции “Благородные и редкие металлы” - ч.ІІ. - Донецк, 1997. - С.13 - 14.

19. Ленков С.В., Гаркавенко А.С., Выдолоб В.В. Расчет выходной мощности СО2 - лазера в одномодовом режиме // Труды седьмой научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. - Одесса, 2006, ч2. - С .136.

20. Лєнков С.В., Видолоб В.В. Механізми деградації ІЧ-випромінювачів // Труди 2-ої МНТК “Сенсорна електроніка та мікросистемні технології”. - Одеса, 2006. - С.227.

21. Ленков С.В., Гаркавенко А.С., Браун В.О., Выдолоб В.В. Диоды ИК-излучения повышенной мощности // Труди Міжнародної науково-технічної конференції “Датчики, прилади та системи”. - Ялта, 2006.

22. Мокрицкий В.А., Пашков О.С., Видолоб В.В. Щодо удосконалення напівпровідникових лазерів з електронним накачуванням // Матеріали міжвузівської науково-практичної конференції “Сучасні напрямки розвитку сухопутних військ Збройних Сил України”. - Одеса , 2006. C.61-62.