Патент на изобретение №2159976

(54) СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к лазерной технике, а именно к способу и устройству для генерирования излучения оптического диапазона. Предложен способ для генерирования излучения посредством использования протяженной зоны взаимодействия генерируемого излучения с электронами, проходящими через туннельный переход, а также применения электродов из электропроводящего материала протяженной формы с образованием волноводной структуры с уменьшенными оптическими потерями, канализирующей генерируемое излучение вдоль протяженной зоны взаимодействия. Устройство для генерирования излучения может быть реализовано в виде, по меньшей мере, пары полос, размещенных приблизительно параллельно на подложке из диэлектрика, прозрачного для генерируемого излучения, и защищенных покрытием, представляющим собой твердый оптически прозрачный изолятор с минимальным поглощением генерируемого излучения. В результате создано относительно малогабаритное устройство для генерирования монохроматического излучения повышенной мощности с возможностью перестройки, обладающего относительно высоким КПД и пригодного для реализации на технологическом оборудовании в нанотехнологии. 2 с. и 32 з.п.ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к области лазерной техники, а именно к способу и устройству для генерирования излучения оптического диапазона, и может найти широкое применение в различных отраслях промышленности.

Назначением подобного генератора излучения является генерирование излучения электромагнитных волн светового диапазона. Такой генератор характеризуется определенными параметрами, в частности мощностью генерируемого излучения, распределением генерируемого излучения в спектральном диапазоне, возможностью перестройки генератора по частоте, а также коэффициентом полезного действия, габаритами, весом и т.д.

Известно также, что малогабаритные излучатели, генерирующие мощное монохроматическое излучение с возможностью перестройки, являются необходимым условием для эффективного использования лазерной и волоконной техники. Например, они необходимы для проведения спектральных анализов, лежащих в основе многих оптических методов измерения, находящих все более широкое применение в различных отраслях промышленного производства. Генераторы с указанными параметрами излучения позволяют эффективно проводить мониторинг внешней среды (почвы, воды, воздуха), пищи (выявление нитратов, тяжелых металлов, канцерогенов), внутренней среды человека (яды, наркотики, алкоголь, секреты желез и т.д.).

Поэтому очень важно и полезно создать относительно малогабаритное устройство для генерирования монохроматического излучения повышенной мощности с возможностью перестройки. В частности, в результате этого упростится, ускорится и повысится качество оптических методов измерения, но, главное, значительно расширится область использования современной высокоэффективной лазерной техники в промышленности, сельском хозяйстве, в быту, например в устройствах анализа, контроля и управления технологическими процессами.

Существующие в настоящее время генераторы излучений характеризуются параметрами, которые затрудняют, а в ряде случаев делают невозможным их использование в технологических процессах. Ввиду очень малой мощности генерируемого излучения, чрезвычайно больших габаритов, и очень маленького коэффициента полезного действия существующие генераторы могут выполнять лишь роль опытных лабораторных установок. По этим причинам они не могут получить широкого распространения в промышленности, сельском хозяйстве и, тем более, в быту.

Подводя итог изложенному выше можно констатировать, что отсутствие малогабаритных излучателей с мощным перестраиваемым монохроматическим излучением сдерживает внедрение лазерной и волоконной техники в промышленность, и, в частности, оптических методов анализа, контроля и управления производством. В результате снижается эффективность работы в областях, основанных, по своему характеру, на высококачественном анализе и исследованиях составов различных сред как в промышленности (химическое производство, металлургическая промышленность, пищевая промышленность и т.д.), так и в сельском хозяйстве (контроль качества удобрений, семян и т.д.). Число производств, деятельность которых основана на результатах спектральных анализов, и в которых необходимо использовать излучатели с мощным перестраиваемым монохроматическим излучением, очень велико. Имеются также предприятия непроизводственного характера (например, предприятия связи), в которых используется лазерная и волоконная техника и где также могут найти широкое применение излучатели с указанными параметрами.

Ранее предпринимались попытки создать излучатели с мощным монохроматическим перестраиваемым излучением.

Технические решения, описанные в источнике (1), представляют собой перестраиваемые лазеры на красителях. Эти лазеры имеют широкую область перестройки – на одном конкретном красителе область перестройки (по длинам волн) составляет примерно 50 нм, а при смене красителей охватывает всю видимую область спектра 400-750 нм и даже несколько шире. Однако перестраиваемые лазеры на красителях требуют накачки коротковолновым лазерным излучением, обычно от ионного лазера. Таким образом, энергия в таких устройствах испытывает двукратное лазерное преобразование, и это делает его коэффициент полезного действия ничтожным. Кроме того, перестройка лазера на красителе обеспечивается довольно сложным и крупногабаритным оптическим резонатором, так что вместе с ионным лазером все устройство занимает объем в несколько кубометров и вес в несколько сот килограммов. Поэтому лазеры на красителях представляют собой эффективное, но немобильное, лабораторное устройство, которое вряд ли найдет широкое промышленное применение.

Подобное же положение имеет место для перестраиваемых параметрических генераторов (2). Центральным узлом в них является специально подобранный (дорогой) кристалл, в котором излучение от двух лазеров, распространяясь в определенных направлениях, превращается благодаря нелинейным взаимодействиям в излучение другой частоты. Эта частота может перестраиваться посредством изменения направления распространения исходных волн. В них также имеется двукратное лазерное преобразование, снижающее полный коэффициент полезного действия. Кроме того, они громоздки и сложны в настройке, так что им, по всей видимости, также суждена роль лабораторных приборов.

В источнике (3) описано генерирование излучения в сканирующем туннельном микроскопе. Согласно этому источнику, излучение оптического диапазона получается посредством обеспечения прохождения электронов через туннельный переход с одновременным взаимодействием электронов с генерируемым излучением в зоне взаимодействия, в результате применения, по меньшей мере, пары электродов из электропроводящего материала, расположенных друг относительно друга на таком расстоянии, чтобы обеспечивалось перекрытие волновых функций электронных систем этих электродов, при одновременном обеспечении сдвига энергетических уровней электронных систем этих электродов друг относительно друга за счет подведения к электродам разности потенциалов от внешнего источника электрической энергии. Способ генерирования и устройство для генерирования, описанные в источнике (3), приняты за прототип заявленных изобретений. Согласно источнику (3) практически реализованное устройство представляет собой металлическое острие, размещенное вблизи металлической поверхности, между которыми приложено электрическое напряжение. При этом между металлическим острием и плоской металлической поверхностью образуется туннельный переход (пояснение термина дано ниже).

Недостатками прототипа как источника излучения являются малая мощность и немонохроматичность излучения. Поскольку физические эффекты в прототипе (туннельном сканирующем микроскопе) и заявляемых изобретениях сходны, рассмотрим их подробнее.

Известно, что при достаточно малом зазоре между металлами, к которым приложено небольшое электрическое напряжение V, между ними протекает туннельный ток (пояснение физических терминов даны ниже). Согласно источнику (3) прохождение туннельного тока сопровождается оптическим излучением. Физическая природа этого известна и заключается в следующем.

Согласно современным представлениям физики электропроводный металл представляет собой потенциальную “яму” для электронов, за счет которой металл удерживает электроны, и они не могут покинуть его вследствие отсутствия энергии для этого. Распределения энергетических уровней электронов в металле при термодинамическом равновесии даны на фиг. 1. Волновые функции электронных состояний металлов подбарьерно проникают из тела металла в окружающее его пространство, например в диэлектрик или вакуум на небольшую глубину. Данное явление также известно и показано на фиг. 2. Это касается как заполненных электронных состояний, так и незаполненных. При сближении металлов в случае, скажем, когда левый металл (применительно к прототипу – металлическая игла) находится под более высоким электрическим потенциалом, чем правый металл (применительно к прототипу – плоская металлическая поверхность), заполненные электронные состояния левого металла (металлической иглы) оказываются лежащими выше незаполненных электронных состояний правого металла (плоской металлической поверхности). Вследствие этого становится возможным квантовый переход между этими состояниями с излучением фотонов, как это показано на фиг. 3. Вероятность таких переходов определяется матричным элементом энергии взаимодействия электронной системы с электромагнитным полем. Последний же заметно отличен от нуля лишь при существенном перекрытии волновых функций заполненных и незаполненных электронных состояний, т.е. при достаточной малости зазора между поверхностями металлов.

Эффект излучения фотонов при туннелировании электронов сквозь потенциальный барьер установлен в прототипе экспериментально. Это излучение является крайне слабым. Действительно, в стандартной, описанной в прототипе ситуации (когда металлическая игла размещена напротив плоской металлической поверхности) туннельный ток составляет ориентировочно i_t 10^-8a (примерно 610¹⁰ электронов в секунду). Так как характерная разность потенциалов между электродами при туннелировании равна 5 В, то мощность, выделяемая туннельным током, составляет W_t 510^-8 Вт. Установлено, что в излучение идет лишь одна десятитысячная доля (10^-4) этой мощности, т.е. мощность излучения равна W_r 510^-12 Вт (примерно 610⁶ фотонов в секунду). С практической точки зрения излучатель такой мощности действительно труден для применения.

Таким образом, техническое решение, описанное в прототипе, имеет следующие недостатки.

Во-первых, подавляющая часть туннелирующих электронов проходит в металл без излучения фотонов, из-за чего коэффициент полезного действия излучателя оказывается крайне низким, при этом, поскольку полный ток в устройстве невелик, то и полная мощность излучения оказывается ничтожной.

Во-вторых, получаемое спонтанное излучение распределено в широком спектральном диапазоне, что делает невозможным спектрально избирательное использование такого излучателя, в частности, для спектрального анализа.

По существу, техническое решение, являющееся прототипом, трудно назвать излучателем. Скорее всего, оно представляет собой маломощный источник фотонов, хаотично излучаемых в разные стороны в очень широком спектральном диапазоне. Оно не способно генерировать мощное узконаправленное монохроматическое излучение (луч) с возможностью его перестройки по частоте.

Подводя итог вышеизложенному можно сделать вывод, что все существующие технические решения характеризуются либо очень малой мощностью генерируемого излучения, либо они очень громоздки и обладают очень малым коэффициентом полезного действия.

Таким образом, до настоящего времени нет малогабаритного устройства для промышленного применения, которое могло бы генерировать достаточно мощное монохроматическое перестраиваемое излучение.

Целью настоящего изобретения является намерение найти техническое решение, позволяющее повысить эффективность излучателей на основе туннельных устройств и создать малогабаритный перестраиваемый излучатель, пригодный для широкого применения в различных промышленных областях, сельском хозяйстве и быту.

Первым объектом нашего изобретения является разработанный способ генерирования монохроматического электромагнитного излучения при туннелировании электронов сквозь потенциальный барьер с излучением.

Вторым объектом, соответственно, является устройство для генерирования монохроматического электромагнитного излучения при туннелировании электронов сквозь потенциальный барьер с излучением.

В основе заявляемых изобретений лежит ряд выявленных нами важных и перспективных особенностей туннелирования электронов сквозь потенциальный барьер с излучением (туннельного излучения) (пояснения терминов даны ниже).

Во-первых, мы установили, что мощность туннельного излучения, снимаемая с единицы площади, составляет 510^-2 Вт/см², а в генерационном режиме достижимая мощность будет определяться плотностью тока в подводящих телах из электропроводного материала (полосах, электродах), которая, как известно, велика. Следовательно, полная мощность излучателя (туннельного генератора) может быть существенно увеличена за счет увеличения площади туннельного перехода.

Во-вторых, мы установили, что в туннельных излучателях, основанных на туннельных переходах, может быть повышена роль индуцированных излучательных переходов при туннелировании. В этом случае может быть реализован генерационный или суперлюминесцентный режим работы туннельного перехода и существенно повышена конкурентоспособность туннельных излучательных переходов по сравнению с безызлучательными.

С точки зрения решения задачи обеспечения генерирования мощного монохроматического излучения отмеченный эффект индуцированных переходов особенно важен, поскольку, так же как в лазерах, позволяет перейти к генерационному или суперлюминесцентному режиму, когда излучательные переходы становятся основными, а излучение – направленным и когерентным.

В-третьих, мы установили, что при специально подобранной конфигурации электродов, образующих туннельный переход, последние становятся волноводом для генерируемого излучения и обеспечивают длительное его взаимодействие с электронами, проходящими через туннельный переход.

Совокупность этих трех факторов составляет сущность заявляемых изобретений, так как позволяет повысить мощность генерируемого излучения и изменить в лучшую сторону его качественные характеристики, такие как монохроматичность, направленность и другие.

Отметим также, что при туннельном переходе инверсная населенность, необходимая для усиления излучения при индуцированных излучательных переходах, реализуется простым наложением разности потенциалов на тела из электропроводящих материалов (электроды).

При генерировании излучения эта особенность обеспечивает конструктивную простоту устройства для получения усиления излучения и его перестройки по частоте.

Генерационный и суперлюминесцентный режимы возможны лишь, если усиление превосходит потери. Поэтому одной из основ данного изобретения, помимо использования протяженных электродов, является использование дополнительных факторов, снижающих потери генерируемого излучения.

Одним таким фактором является использование в качестве электродов веществ, обладающих минимальным поглощением генерируемого излучения.

Другим фактором является использование электродов в виде тонких слоев, когда толщина слоя оказывается меньшей характерной глубины проникновения излучения в металл, что позволяет существенно снизить потери генерируемого излучения в этом металле. Как известно из физики, характерной глубиной проникновения излучения в вещество (металл) называется такая глубина, отсчитываемая от поверхности вещества (металла), на которой плотность энергии излучения уменьшается в e раз, где e – основание натуральных логарифмов, иными словами неперово число, приблизительно равное 2,71828182845…).

Третий фактор основан на том, что используемое в качестве электрода вещество обладает большой по модулю диэлектрической проницаемостью. В результате этого электрическое поле в металле, по крайней мере, при некоторых конфигурациях волновых полей (а именно такие конфигурации использованы в настоящем изобретении) оказывается много меньшим электрического поля в туннельном зазоре и это также снижает омические потери излучения при этих конфигурациях.

Кроме того, мы пришли к выводу, что, поскольку электроны в металле обладают непрерывным спектром, инверсия населенности и усилительная способность туннельного перехода реализуются в широком спектральном диапазоне. Это позволяет создавать перестраиваемые усилители и генераторы. При этом перестройка может достигаться простым изменением подводимого к электродам из электропроводящего материала напряжения на туннельном контакте.

Наконец, мы установили, что при генерационном или суперлюминесцентном режиме накачка постоянным током является крайне эффективной, поскольку электронов в металле очень много и заполнение опустошенных в результате излучения уровней происходит очень быстро, за времена порядка 10^-14 секунды. Это означает, что стационарный режим генератора будет на высоком уровне мощности и будет ограничиваться, как уже сказано, лишь максимально возможным током в электродах. Если веществом электрода является металл, то этот ток будет очень велик.

Таким образом, с одной стороны, изобретение состоит в создании способа генерирования электромагнитного излучения, согласно которому электромагнитное излучение получают посредством обеспечения прохождения электронов через туннельный переход с одновременным взаимодействием электронов с генерируемым излучением в зоне взаимодействия, в результате применения, по меньшей мере, пары электродов из электропроводящего материала, расположенных друг относительно друга на таком расстоянии, чтобы обеспечивалось перекрытие волновых функций электронных систем этих электродов, при одновременном обеспечении сдвига энергетических уровней электронных систем этих электродов друг относительно друга за счет подведения к электродам разности потенциалов от внешнего источника электрической энергии. Согласно изобретению способ отличается тем, что используют протяженную зону взаимодействия генерируемого излучения с электронами, проходящими через туннельный переход, а также тем, что применяют, по меньшей мере, пару электродов протяженной формы с образованием волноводной структуры с уменьшенными оптическими потерями, канализирующей генерируемое излучение вдоль протяженной зоны взаимодействия.

Уменьшить оптические потери можно различными приемами.

Например, это может быть достигнуто в результате того, что толщина каждого электрода меньше характерной глубины проникновения в него генерируемого излучения. Это позволяет уменьшить потери энергии излучения в веществе электродов. Здесь под термином “толщина электрода” понимается поперечный размер электрода, то есть расстояние от одной боковой стороны размещенного на подложке и выполненного в виде полосы электрода до другой его боковой стороны. Пояснение физического термина “характерная глубина проникновения” приведено выше.

Кроме того, уменьшить оптические потери можно за счет того, что в качестве материала электродов использовался бы материал, характеризующийся минимальными потерями в нем генерируемого излучения. Благодаря этому также обеспечивается снижение потерь генерируемой энергии.

Уменьшить оптические потери можно также в результате такого подбора формы электродов, чтобы обеспечить величину электрического поля излучения в электродах, меньшую по сравнению с величиной электрического поля излучения в зазоре между электродами. Данный прием, как и оба предыдущих, обеспечивает снижение потерь генерируемого излучения. Благодаря ему омические потери в материале электродов становятся меньшими усиления излучения туннелируемыми электронами, что, в свою очередь, приводит к нарастанию генерируемого излучения с увеличением длины электродов, превалированию индуцированных излучательных переходов над спонтанными и безызлучательными, повышению коэффициента полезного действия излучателя и сужению спектра генерируемого излучения. Можно привести множество примеров сочетаний конфигурации электромагнитного поля генерируемого излучения и формы электродов, при которых обеспечивается достижение упомянутого в данном абзаце условия, а именно, при которых величина электрического поля излучения в электродах была бы меньшей по сравнению с величиной этого электрического поля в зазоре между электродами. Один из таких примеров приведен на фиг. 15 настоящей заявки. Согласно ему электроды выполнены в виде параллельных и прямолинейных полос, а конфигурация электромагнитного поля представляет собой овалы.

Желательно, чтобы электрические потенциалы прилагались бы к электродам с возможностью регулирования разности потенциалов. Благодаря этому приему обеспечивается простота перестройки излучателя с одного диапазона генерируемых частот на другой.

Целесообразно, чтобы протяженная зона взаимодействия была бы выполнена приблизительно прямолинейной. Термин “приблизительно прямолинейной” введен по причине того, что технологически невозможно обеспечить создание двух абсолютно параллельных и прямолинейных электродов. При их рассмотрении под все более сильным микроскопом всегда можно обнаружить известные отклонения от абсолютной прямолинейности и параллельности.

Однако протяженная зона может иметь и другие формы. В частности, протяженная зона взаимодействия может быть выполнена криволинейной, например замкнутой. Замкнутая форма также может быть различной, в частности в виде окружности. Такое замыкание позволяет установить в системе положительную обратную связь. В результате заявленное техническое решение может работать в генерационном режиме (пояснение дано ниже). Для съема энергии необходимо вводить в техническое решение специальный выводящий энергию световод (волновод).

С другой стороны, изобретение относится к устройству для генерирования излучения, включающему по меньшей мере пару электродов из электропроводящего материала, расположенных друг относительно друга на таком расстоянии, чтобы обеспечивалось перекрытие волновых функций электронных систем этих электродов, с подведением к электродам разности потенциалов от внешнего источника электрической энергии для обеспечения сдвига энергетических уровней электронных систем этих электродов друг относительно друга так, чтобы обеспечивалась возможность генерирования электромагнитного излучения посредством взаимодействия этого излучения с электронами, проходящими через образовавшийся туннельный переход. Согласно изобретению устройство отличается тем, что, по меньшей мере, пара электродов выполнена с уменьшенным оптическим поглощением и имеет такую протяженную форму в пространстве, при которой зона взаимодействия генерируемого излучения с электронами, проходящими через туннельный переход, является протяженной, с образованием при этом волноводной структуры, канализирующей генерируемое излучение вдоль протяженной зоны взаимодействия.

Применительно к этому устройству мы считаем необходимым выделить следующие развития и/или уточнения совокупности его существенных признаков, относящиеся к частным случаям выполнения или использования.

Желательно, чтобы толщина каждого электрода была подобрана такой, чтобы она была меньше характерной глубины проникновения в него генерируемого излучения (разъяснения терминов “толщина” и “характерной глубины проникновения” приведены ранее). Благодаря этой особенности обеспечивается снижение потерь генерируемой энергии и устойчивая работа устройства.

Предпочтительно, чтобы формы электродов из электропроводящего материала и конфигурация электромагнитного поля генерируемого излучения были бы подобраны так, чтобы величина электрического поля излучения в электропроводящем материале была бы меньше величины электрического поля излучения в зазоре между электродами (конкретный пример такого подбора формы электродов и конфигурации электромагнитного поля был приведен в настоящем описании ранее). Этот конструктивный прием позволяет дополнительно снизить потери генерируемой энергии и повысить устойчивость работы.

Целесообразно также, чтобы в качестве электропроводящего материала электродов был бы использован электропроводящий материал, характеризующийся минимальным поглощением в нем генерируемого излучения. Данный прием, как и оба предыдущих, обеспечивает снижение потерь генерируемого излучения.

В качестве электропроводящего материала электродов, характеризующегося минимальным поглощением генерируемого излучения, могут быть использованы различные материалы. Например, в качестве такого материала может быть использован металл, в частности золото, с соответствующими необходимыми стабилизирующими добавками, а также некоторые другие металлы, удовлетворяющие требованиям, перечисленным в настоящем описании.

Другим примером материалов, из которых могут быть изготовлены электроды, являются окислы металлов. Имеется группа материалов – в основном окислы металлов – которые обладают хорошей электрической проводимостью и, вместе с тем, прозрачностью в оптической области. Такие материалы также могут быть использованы для изготовления электродов. К этим материалам относятся, в частности, окислы олова.

Еще одним примером материалов, из которых могут быть изготовлены электроды, являются полупроводники.

В качестве материалов, из которых могут быть изготовлены электроды, можно указать металлические сплавы, а также другие материалы, уже существующие или синтезированные в будущем, удовлетворяющие указанным в настоящем описании требованиям к ним.

Целесообразно, чтобы в качестве электропроводящего материала электродов использовался бы оптически прозрачный материал. Это позволяет дополнительно увеличить мощность генерируемого излучения. В качестве таких материалов могут быть использованы, например, упомянутые выше материалы на основе окислов олова. Для обеспечения надежной работы устройства, защиты электродов от воздействия окружающей среды и предотвращения механических повреждений желательно, чтобы электроды имели бы покрытие, представляющее собой твердый оптически прозрачный изолятор с минимальным поглощением генерируемого излучения, например кварц, в частности напыленный. В настоящее время существует целое направление в технике, занимающееся вопросом нанесения покрытий путем напыления, и поэтому заявители не считают целесообразным давать описание данной технологии в объеме настоящей заявки, тем более что она не является предметом настоящего изобретения.

В качестве средства сообщения электродам различных электрических потенциалов должен быть использован внешний источник электрической энергии.

При генерационном или суперлюминесцентном режиме (пояснения даны ниже) накачка от внешнего источника током является крайне эффективной, поскольку электронов в электродах очень много и заполнение опустошенных в результате излучения уровней происходит очень быстро. Это означает, что стационарный режим генератора будет на высоком уровне мощности и будет ограничиваться, как уже сказано, лишь максимально возможным током в электродах.

Желательно, чтобы в качестве внешнего источника электрической энергии был бы использован источник постоянного напряжения.

При этом предпочтительно, чтобы источник постоянного напряжения был бы выполнен с возможностью регулирования величины разности потенциалов между электродами. В результате этого перестройка генерируемого излучения может быть достигнута простым изменением подводимого напряжения.

Однако в качестве внешнего источника электрической энергии возможно использование источника переменного напряжения.

В этом случае целесообразно, чтобы источник переменного напряжения был бы выполнен с возможностью регулирования его параметров. За счет этого простым изменением этих параметров может быть достигнута перестройка генерируемого излучения с одного диапазона на другой. При этом наиболее желательно, чтобы источник переменного напряжения был бы выполнен с возможностью регулирования формы и амплитуды электрического потенциала.

Далее заявитель считает необходимым отметить, что, предпочтительно, чтобы образующая туннельный переход, по меньшей мере, пара электродов из электропроводящего материала характеризовалась бы следующими параметрами:
ширина каждого протяженного электрода – от 0,5 нанометров до 2,5 нанометров;
зазор между протяженными электродами – от 0,5 нанометров до 2,5 нанометров;
величина подведенного электрического потенциала между двумя смежными протяженными электродами – от 0,5 вольта до 5 вольт.

Вместе с тем, образующая туннельный переход, по меньшей мере, пара электродов из электропроводящего материала может характеризоваться и другими параметрами.

Для нормальной работы устройства необходимо, чтобы образующая туннельный переход, по меньшей мере, пара электродов из электропроводящего материала обеспечивала бы коэффициент усиления генерируемой волны, больший, чем коэффициент затухания этой волны из-за потерь в веществе электродов, что эквивалентно выполнению следующего условия:

где – эффективность устройства;
– коэффициент усиления плазменной волны;
– коэффициент затухания плазменной волны;
= 1/137 – постоянная тонкой структуры;
– постоянная Планка;
– длина волны излучения;
– частота в рад/сек, соответствующая длине волны излучения;
d – толщина металлического слоя;
₂ – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, окружающего металлические слои;
_m – модуль вещественной части диэлектрической проницаемости металла;
_m– мнимая часть диэлектрической проницаемости металла, определяющая потери излучения в нем;
V – напряжение на электродах;
E – заряд электрона;
– число, приблизительно равное 3,14…

Вывод данной математической формулы будет приведен далее в настоящем описании, как его неотъемлемая часть.

Для регулирования выходной мощности, а также повышения ее величины желательно, чтобы устройство для генерирования излучения было бы образовано несколькими последовательно размещенными парами электродов, которые являются секциями усиливающей туннельной зоны, с образованием при этой общей волноводной структуры, канализирующей генерируемое излучение, с возможностью подачи разности потенциалов к отдельным секциям от источника электрической энергии независимо от остальных, с обеспечением регулирования таким образом длины зоны, усиливающей генерируемое излучение, и, соответственно, выходную мощность устройства. В результате этого, за счет отключения одной или нескольких секций (пар электродов), можно сравнительно просто уменьшить выходную мощность устройства, и наоборот.

Конкретное конструктивное решение заявляемого устройства может быть различным.

Например, образующие волноводную структуру электроды устройства для генерирования излучения могут быть выполнены в виде полос, размещенных приблизительно параллельно на подложке из диэлектрика, прозрачного для генерируемого излучения, и для защиты покрыты сверху твердым оптически прозрачным изолятором с минимальным поглощением генерируемого излучения, в частности кварцем, например напыленным.

Однако в случае значительной длины устройства (около 1 см) предпочтительно, чтобы образующие волноводную структуру электроды устройства для генерирования излучения были бы выполнены в виде полос, размещенных приблизительно параллельно на подложке из диэлектрика, прозрачного для генерируемого излучения, которая установлена в камере, в стенке которой образован, по меньшей мере, один проем, закрытый материалом, прозрачным для генерируемого излучения.

При этом желательно, чтобы внутри камеры был создан вакуум или она была заполнена газообразным или негазообразным диэлектриком (жидким или твердым диэлектриком), прозрачным для генерируемого излучения.

В качестве газообразного диэлектрика может быть использован, в частности, инертный газ, а в качестве твердого диэлектрика – например, кварц, в том числе напыленный. Это, с одной стороны, уменьшит поглощение генерируемого излучения, а с другой стороны, защитит электроды от неблагоприятных внешних воздействий, а именно предотвратит окисление металлических полос из электропроводящего материала, защитит от механических воздействий и т.д.

Целесообразно, чтобы устройство было оснащено поглотителем генерируемого излучения, например, выполненным в виде пластины, покрытой поглощающим генерируемое излучение материалом и установленной с возможностью перемещения внутрь камеры. Это позволило бы управлять параметрами генерируемого излучения, в частности мощностью.

Предпочтительно, чтобы заявляемое устройство было оснащено по меньшей мере одним отражателем генерируемого излучения. Этот отражатель может быть размещен у концов электродов и иметь различную конструкцию. Например, он может быть выполнен в виде обычного металлизированного зеркала или диэлектрического зеркала, или голографического зеркала и так далее. Отражатель позволяет увеличить эффективную длину устройства, поскольку излучение проходит сначала в одну сторону до отражателя и затем, отражаясь от него, проходит в обратном направлении через усиливающую часть устройства, дополнительно усиливаясь. Таким образом, эффективная длина усиливающей части излучателя увеличивается. Если отражатели установить с обоих концов электродов, то устройство будет способно работать в генерационном режиме, при котором происходит многократное усиление генерируемого излучения. При этом вывод энергии может осуществляться через, по меньшей мере, один частично-прозрачный упомянутый выше отражатель.

Желательно, чтобы параллельные электроды были выполнены прямолинейными.

Однако электроды могут иметь и другие формы в плане и в пространстве. В частности, электроды могут быть выполнены криволинейными, например в виде замкнутых кривых. Как отмечалось ранее, такое замыкание позволяет установить в системе положительную обратную связь. В результате заявленное техническое решение может работать в генерационном режиме (пояснение дано ниже). Для съема энергии необходимо вводить в техническое решение специальный выводящий энергию световод (волновод).

Предпочтительные отдельные воплощения заявляемой группы изобретений, объединенных единым общим изобретательским замыслом, охарактеризованы в нижеприведенных пунктах формулы изобретения, увязанных с настоящим описанием.

В заключение данного раздела описания можно отметить, что в целом преимущество настоящего изобретения заключается в том, что оно позволяет создать сравнительно малогабаритный монохроматический перестраиваемый излучатель со значительно повышенной по сравнению с существующими аналогами и прототипом мощностью излучения.

Важным преимуществом изобретения является то, что оно может быть реализовано на технологическом оборудовании, уже используемом в нанотехнологии.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена диаграмма распределения энергетических уровней электронов в теле металла, условно наложенного на диаграмму.

На фиг. 2 показана диаграмма зависимости амплитуды электронной волновой функции в зависимости от расстояния от поверхности пары тел металлов и внутри них.

На фиг. 3 воспроизведена диаграмма распределения энергетических уровней электронов в двух телах из металла, полученная в результате приложения к ним электрического напряжения и возникновения между ними электрической разности потенциалов.

На фиг. 4 схематично показано заявляемое устройство, аксонометрия (боковая стенка отделена).

На фиг. 5 – то же, сечение по A-A на фиг. 4.

На фиг. 6 – то же, сечение по B-B на фиг. 4 (цепочка из замкнутых силовых линий электрического и магнитного полей смещена на одно “звено” по сравнению с цепочкой, изображенной на фиг. 5).

На фиг. 7 – то же, сечение по C-C на фиг. 6.

На фиг. 8 показан вариант заявляемого устройства (продольное сечение).

На фиг. 9 схематично показаны в плане секции составной модификации заявленного устройства из нескольких последовательно размещенных пар электродов (секций).

На фиг. 10 схематично показаны в плане секции другой составной модификации заявленного устройства из нескольких последовательно размещенных пар электродов (секций).

На фиг. 11 схематично показаны в плане секции еще одной составной модификации заявленного устройства из нескольких последовательно размещенных пар электродов (секций).

На фиг. 12 изображена общепринятая в физике схема рабочих уровней при туннелировании электронов.

На фиг. 13 изображена общепринятая в физике схема, поясняющая подбарьерное проникновение волновых функций в вакуум или в диэлектрик.

На фиг. 14 изображена общепринятая в физике схема, поясняющая распространение волн в системе слоев металл-диэлектрик в планарном излучателе.

На фиг. 15 изображена общепринятая в физике схема, поясняющая распространение электрического поля плазмонной волны в системе слоев металл-диэлектрик.

Для пояснения сущности изобретения сначала остановимся на рассмотрении, в соответствии с современными физическими представлениями, картины нахождения электронов в электропроводящих металлах, как одних из основных материалов, используемых для изготовления электродов.

При этом оговоримся, что здесь, как и во всей заявке, будем предполагать, что, как это принято в современной физике, электрон существует в двух формах – собственно электрон (частица) и электронная волновая функция (волна).

Для раскрытия сущности изобретения рассмотрим подробно изображенную на фиг. 1 диаграмму распределения энергетических уровней электронов в теле электрода 1 из электропроводящего металла. Для простоты положим, что электрод 1 представляет собой полосу из металла, имеющую в поперечном сечении прямоугольную форму. Ее вид с торца условно изображен на диаграмме. По оси ординат на этой диаграмме отложены энергетические уровни электронов. Согласно современной физической теории электроны в электропроводящем металле находятся на определенных энергетических уровнях, причем на каждом энергетическом уровне может находиться только один электрон. Тогда один электрон будет находиться на самом нижнем энергетическом уровне, который обозначен на фиг. 1 позицией 2, другой электрон будет находиться на более высоком энергетическом уровне, который обозначен на фиг. 1 позицией 3. Третий электрон будет иметь еще более высокую энергию и займет более высокий энергетический уровень, который на фиг. 1 обозначен позицией 4, и так далее. Все вместе энергетические уровни электронов образуют в рассматриваемом электроде 1 электронную систему энергетических уровней электронов. Описанные энергетические уровни получили название заполненных энергетических уровней. Описанное распределение электронов по энергетическим уровням будет происходить до некоторого уровня энергии, называемого уровнем Ферми. Уровень Ферми обозначен на фиг. 1 позицией 5. В любом электропроводящем металле, находящемся в термодинамическом равновесии, электроны не могут превышать по своим энергетическим параметрам уровень Ферми. Для точности, вместе с тем, следует отметить, что из-за теплового движения электронов имеется небольшая переходная область от полностью заполненных уровней к полностью незаполненным уровням. Однако применительно к данному изобретению эту переходную область можно считать пренебрежимо малой. Таким образом, в любом металле электроны заполняют потенциальную “яму” до уровня Ферми. Выше уровня Ферми также существуют энергетические уровни. Однако у электропроводящего металла, находящегося в термодинамическом равновесии, они не заполнены электронами и поэтому получили название незаполненных энергетических уровней 6, в отличие от описанных выше заполненных энергетических уровней. Вместе с тем, электрон может занять незаполненный энергетический уровень выше уровня Ферми, если сообщить ему дополнительную энергию, например осветить металл или приложить к нему электрическое напряжение от внешнего источника электрической энергии. Другая особенность движения электронов электропроводящих металлов состоит в том, что они хоть и находятся в потенциальной “яме” и не могут полностью покинуть металл из-за недостатка энергии, тем не менее, они, будучи волной (волновой функцией), могут частично, на небольшое расстояние, выйти наружу из тела электрода 1 из электропроводящего металла (за наружную поверхность кристаллической решетки). Электронная волновая функция таких электронов условно изображена позицией 7 на фиг. 1. Зависимость амплитуды электронной волновой функции от расстояния до поверхности металла электрода 1 и внутри металла электрода 1 показана на фиг. 2, где по оси абсцисс отложено расстояние, а по оси ординат – величина электронной волновой функции. На этой диаграмме можно видеть, что амплитуда электронной волновой функции постепенно уменьшается с ростом расстояния до поверхности металла электрода 1.

Если рядом с выполненным в виде полосы из электропроводящего металла электродом 1 расположить параллельно аналогичный по форме электрод из электропроводящего металла (в виде полосы из металла, имеющей в поперечном сечении прямоугольную форму), то поведение электронов в нем также будет характеризоваться всеми вышеприведенными процессами. Этот другой аналогичный по форме электрод также изображен на фиг. 2 и обозначен позицией 8. Кроме того, на фиг. 2 показана зависимость амплитуды электронной волновой функции от расстояния до поверхности металла второго электрода 8 и внутри металла электрода 8.

Если расстояние между этими выполненными в виде полос электродами 1 и 8 будет достаточно мало, то электронная волновая функция металла одного электрода (полосы) перекроется с электронной волновой функцией смежного электрода (полосы), что можно видеть на фиг. 2. Такое перекрытие электронных волновых функций электронных систем соседних электродов (полос) является одним из необходимых условий для усиления электромагнитного излучения согласно заявляемому изобретению и существенно для настоящего изобретения.

Другой важной особенностью заявляемого технического решения является приложение к выполненным в виде полос электродам 1 и 8 электрического напряжения от внешнего источника электрической энергии, так чтобы между этими электродами 1 и 8 возникла разность электрических потенциалов (или электрическое напряжение), условно изображенное на фиг. 3 позицией 9. В этом случае произойдет смещение энергетических уровней электронов электронных систем электропроводящих металлов электродов 1 и 8 друг относительно друга, что также схематично показано на фиг. 3. Под действием электрического напряжения вся электронная система энергетических уровней металла электрода 1 сместилась вверх, а металла электрода 8 – вниз. Очевидно, что при этом не имеет принципиального значения природа источника электрической энергии, а также количество использованных внешних источников электрической энергии.

В результате смещения электронных систем энергетических уровней электронов металлов смежных электродов 1 и 8 заполненные энергетические уровни 10 электронной системы металла электрода 1 оказались выше незаполненных энергетических уровней 11 электронной системы металла электрода 8. В результате становится возможным переход обладающего высокой энергией электрона из заполненного энергетического уровня 10 электронной системы металла электрода 1 в незаполненный энергетический уровень 11 электронной системы металла электрода 8, который характеризуется тем, что находящийся на этом уровне электрон должен иметь более низкий энергетический уровень. Поэтому при своем переходе электрон излучает избыточную энергию в виде фотона 12. Данный процесс получил название квантового излучательного перехода. Согласно классической теории электрон не может пройти через зазор 13 между двумя смежными электродами 1 и 8 (барьер), так как у него не достаточно для этого энергии. Однако, согласно современным представлениям, электрон представляет собой волну, благодаря чему становится возможным его прохождение через барьер. Такое прохождение электронной волны (электронной волновой функции) через барьер получило название “подбарьерного прохождения” или “туннельного перехода”, а идущий при этом ток получил название “туннельного тока”. Возникшее в результате прохождения туннельного тока излучение представляет собой электромагнитное поле. Данное излучение обозначено позицией 14 на фиг. 4, схематично изображающей вариант заявляемого устройства. Изображенные на ней электроды 1 и 8 выполнены в виде параллельных полос и размещены на общей подложке 15 из диэлектрического материала, установленной в корпусе 16 и закрепленной к его боковым стенкам, например, при помощи клея. Первоначально возникшее электромагнитное поле 14 имеет различные направления распространения. Эти направления показаны стрелками на фиг. 4. В зависимости от направления распространения электромагнитное поле развивается по-разному. Та часть поля, которая попадает на стенки корпуса 16, поглощается в них и оказывается несущественной для работы устройства. Наиболее важна для работы устройства та часть поля, которая распространяется вдоль зазора 13 между электродами 1 и 8. Эта часть электромагнитного поля взаимодействует с электронами, проходящими через туннельный переход, на протяженной зоне туннельного перехода, равной по протяженности длине электродов 1 и 8, образующих туннельный переход. В результате та часть поля, которая распространяется вдоль зазора 13 между электродами 1 и 8 лавинообразно нарастает, так как заявляемое устройство образовано так, что усиление превосходит потери. После усиления эта часть электромагнитного поля покидает устройство, например, через его прозрачный кожух или через прозрачное окно в кожухе. Это, выходящее из устройства излучение, представляет собой полезный эффект изобретения. Конкретно, в описываемом варианте устройства, электромагнитная волна, направленная вдоль зазора 13 между электродами 1 и 8, представляет собой распространяющуюся вдоль зазора 13 цепочку из силовых линий 17 электрического поля, зацепленных с силовыми линиями 18 магнитного поля. Вся цепочка распространяется поступательно от задней глухой стенки 19 устройства к окну 20 из материала, прозрачного для генерируемого электромагнитного излучения, выполненного в передней стенке 21 устройства. Если генерируется электромагнитное излучение видимого диапазона, то это излучение есть просто видимый свет. Часть 22 потока электромагнитного поля проходит окно 20 и уходит из устройства, а остальная часть отражается от конечных структур (конец полос, стекло, стенки устройства, зеркала на конце полос и т. д.) и идет назад через встречно идущие электромагнитные волны с получением частично стоячей волны до отражения от задней глухой стенки 19. Далее процесс повторяется в соответствии с принципами действия любого лазерного генератора. При любом движении в сторону окна 20 или в направлении задней глухой стенки 19 происходит усиление потока, при одновременных потерях. Для работы устройства, то есть для генерирования излучения, необходимо, чтобы суммарное усиление превосходило суммарные потери, или, иначе говоря, их отношение превышало единицу. Величина суммарного усиления, а также величина суммарных потерь находятся в зависимости от множества факторов.

В результате наших экспериментов и расчетов мы установили, что наиболее общей причиной, обеспечивающей генерирование излучения, является расширение зоны туннельного перехода. Это знание привело нас к мысли увеличить длину зоны взаимодействия электродов, то есть сделать их в виде протяженных тел из электропроводящего материала, например металла. В результате пропорционально возрастает туннельный ток и лавинообразно растет число фотонов. В прототипе наоборот, зона взаимодействия очень мала, поскольку образована тонким металлическим острием и металлической плоскостью. По этой причине в прототипе невозможно создать направленный поток фотонов, так как число фотонов недостаточно и нет возможности собрать их в концентрированный пучок. Напротив, в заявленном изобретении именно наличие, по меньшей мере, пары протяженных в пространстве электродов из электропроводящего материала позволяет, во-первых, получить достаточное количество фотонов, а во-вторых, образовать волноводный канал (зазор), в котором организуется и создается направленный мощный поток фотонов.

Помимо данной особенности, еще одним общим существенным признаком заявляемого изобретения, необходимым и достаточным во всех случаях его реализации, является выполнение предлагаемого технического решения с уменьшенным оптическим поглощением, поскольку без этого признака также невозможно получение электромагнитного излучения.

Таким образом, охарактеризованная в двух предыдущих абзацах описания совокупность общих существенных признаков является необходимой и достаточной в любом варианте осуществления изобретения.

Заявитель считает необходимым особо остановиться на признаках: обеспечение минимизации поглощения генерируемого излучения.

Данный признак сформулирован в столь общем виде по причине того, что осуществить такую минимизацию можно различными приемами, а также в результате комбинации этих приемов, некоторые из которых состоят в следующем:
Во-первых, уменьшить величину поглощения генерируемого излучения можно в результате использования для изготовления электродов электропроводящего материала, характеризующегося минимальными потерями в нем генерируемого излучения. В качестве таких материалов могут быть использованы некоторые металлы (золото со стабилизирующими добавками и т.д.), металлические сплавы, полупроводники, окислы металлов и т.д. При этом величину поглощения генерируемого излучения можно уменьшить еще больше, если в качестве электропроводящего материала электродов использовать оптически прозрачный материал.

Во-вторых, целесообразно применять каждый электрод такой толщины, чтобы он был меньше характерной глубины проникновения в него генерируемого излучения. Благодаря этому приему также можно значительно снизить величину поглощения излучения в веществе электродов.

В-третьих, формы электродов целесообразно подобрать так, чтобы обеспечить величину электрического поля излучения в электродах, меньшую по сравнению с величиной электрического поля излучения в зазоре между электродами. В результате этого приема также обеспечивается снижение величины поглощения излучения в веществе электродов. Один из примеров такой комбинации показан на фиг. 5 и фиг. 6. Как следует из этих фигур, электроды имеют форму приблизительно прямолинейных полос, размещенных приблизительно параллельно в пространстве, а конфигурация электромагнитного поля генерируемого излучения образована из колец (для точности следует отметить, что согласно современным представлениям физики эти кольца представляют собой не правильные окружности, как это упрощенно показано, а несколько вытянутые).

В результате получаем излучатель, в котором туннельный переход образован двумя тонкими металлическими слоями, образующими волноводную структуру. Волна, распространяющаяся в такой структуре, представляет собой симметричную плазмонную волну, в которой из-за малости толщины металлического слоя лишь малая доля всего поля находится в металле (фиг. 4). При этом плазмонная волна непрерывно усиливается током, протекающим через туннельный переход.

Проведенные расчеты дали для коэффициента усиления волны следующее выражение

где – коэффициент усиления плазмонной волны;
– 1/137 – постоянная тонкой структуры;
– постоянная Планка;
– длина волны излучения;
– частота в рад/сек, соответствующая длине волны излучения;
d – толщина металлического слоя;
V – напряжение на электродах;
e – заряд электрона;
– число, приблизительно равное 3,14…

Затухание же плазмонной волны равно

где – коэффициент затухания плазмонной волны;
₂ – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, окружающего металлические слои;
_m – модуль вещественной части диэлектрической проницаемости металла;
_m. – мнимая часть диэлектрической проницаемости металла, определяющая потери излучения в нем;
d – толщина металлического слоя;
– число, приблизительно равное 3,14…

Эффективность устройства, представляющая собой отношение усиления к потерям, равна

где – эффективность устройства;
– коэффициент усиления плазмонной волны;
– коэффициент затухания плазмонной волны;
= 1/137 – постоянная тонкой структуры;
– постоянная Планка;
– длина волны излучения;
– частота в рад/сек, соответствующая длине волны излучения;
d – толщина металлического слоя.

₂ – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, окружающего металлические слои;
_m – модуль вещественной части диэлектрической проницаемости металла;
_m. – мнимая часть диэлектрической проницаемости металла, определяющая потери излучения в нем;
V – напряжение на электродах;
e – заряд электрона;
– число, приблизительно равное 3,14…

Таким образом, для надежной работы устройства необходимо, чтобы эффективность устройства была больше 1.

Полагая, согласно источнику (4),

получим

Таким образом, при очень тонких слоях (очень тонких электродах) в системе возможно усиление с очень высокой надежностью, а при замыкании выхода на вход возможна генерация.

Вывод приведенных выше математических формул будет приведен ниже, как неотъемлемая часть настоящего описания.

Полная мощность излучателя может быть несколько увеличена различными приемами, в частности за счет роста числа электродов (полос) из электропроводящего материала (металла). Если приблизительно принять, что ширина подложки 15 в поперечном направлении 1 микрон (1000 нанометров), а зазор между двумя электродами (полосами) и толщина одного электрода (полосы) также около одного нанометра, то на одной подложке можно легко уместить 100 параллельных электродов (полос) из электропроводящего металла. Однако наиболее оптимальным представляется иметь на одной подложке около двадцати электродов (полос). Целесообразно, что хотя число электродов (полос) может быть любым, однако отверстие 20 может быть общим. Это объясняется тем, что электромагнитное излучение на выходе будет иметь ширину, превышающую ширину нескольких электродов (полос) с зазорами.

В качестве материала подложки 15 должен быть использован диэлектрик, прозрачный для генерируемого излучения. Материал должен обладать диэлектрическими свойствами, поскольку только при наличии диэлектрика между полосами можно поддерживать электрическую разность потенциалов, необходимую для функционирования устройства. Если же материал подложки 15 будет проводить электрический ток, то между электродами (полосами) 1 и 8 произойдет короткое замыкание и не произойдет смещения энергетических уровней электронных систем электронов металлов электродов друг относительно друга. Материал должен быть прозрачным для генерируемого излучения, поскольку в этом случае при прохождении через него генерируемого излучения оно будет иметь минимальные потери. Так, если генерируемое излучение относится к диапазону волн видимого спектра, то в качестве подложки 15 могут быть использованы диэлектрики, прозрачные по отношению к видимому свету, такие как кварц, сапфир, и другие подобные диэлектрики на основе окислов металлов и полупроводников. В частности, в качестве кварца может быть использован как чистый монокристалл, так и плавленный кварц (кварцевое стекло). В качестве подложки может быть использовано и обычное стекло, прозрачное по отношению к генерируемому видимому свету. Если необходимо генерировать излучение инфракрасного или ультрафиолетового диапазонов, то в качестве подложки должен быть использован диэлектрик, прозрачный именно для этих видов излучений. Как показано на фиг. 7, движущаяся вдоль электродов 1 и 8 волна 23 охватывает электроды (полосы) 1 и 8 с зазорами 13, воздушное пространство, их окружающее, и часть толщины подложки 15. Толщина подложки должна быть такой, чтобы обеспечивать достаточную механическую прочность конструкции. Наиболее оптимальный диапазон толщины подложки от 1 мм до 10 мм.

Электроды (полосы) могут иметь в поперечном сечении различную форму, в частности, определяемую технологией их нанесения, например форму, напоминающую в поперечном сечении прямоугольник, как это упрощенно показано на фиг. 1 – фиг. 8.

Ширина электродов (полос) находится, ориентировочно, в пределах от 1 нм до 1,5 нм. Отмеченные целесообразные параметры определяются следующими причинами.

С одной стороны, толщина электрода (полосы) должна быть ограничена по максимальному размеру. Это объясняется тем, что в металле происходят потери генерируемого электромагнитного излучения. Поэтому максимальная толщина электрода (полосы) ограничивается требованиями не допускать излишних потерь генерируемого излучения в металле. Минимальные допустимые потери в металле определяют максимальную толщину электрода (полосы). Если ширина электродов (полос) будет превышать ее, то потери энергии могут быть таковы, что не будет нарастания излучения. Поскольку различные металлы (а также другие материалы, используемые для изготовления электродов) характеризуются различными параметрами потерь излучения, то для каждого металла (материала) должна быть определена своя допустимая максимальная толщина электрода (полосы).

С другой стороны, ширина каждого электрода (полосы) имеет минимальные допустимые размеры. Этот параметр определяется атомной структурой металла (материала), используемого в качестве электрода (полосы), а также техническими возможностями изготовителя электродов (полос). Дело в том, что, например, на 1 нм укладывается, примерно, от 10 до 20 атомных слоев, в зависимости от вида металла. Если брать очень мало слоев (в пределе – 1 атомный слой металлов, то есть 1 атомная дорожка), то при этом будет наблюдаться исчезновение свойств металла и возникновение новых свойств, не присущих конкретному металлу, а следовательно, опасность уменьшения величины генерируемого сигнала, или даже его пропадание вовсе.

Ширина зазора 13 между протяженными электродами 1 и 8 имеет ограничения по максимальному размеру. Это объясняется тем, что, как объяснялось выше, одним из условий осуществления изобретения является обеспечение перекрытия электронных волновых функций смежных электродов. Поэтому размер зазора 13 должен быть такой, чтобы обеспечивалось такое перекрытие. Поскольку размер вылета электронных волновых функций у различных электропроводящих материалов (в частности, металлов) различен, то предельно допустимая максимальная величина зазора может меняться в зависимости от используемых для протяженных электродов материалов. При этом смежные электроды могут быть изготовлены из одинаковых или различных электропроводящих материалов. Ориентировочно, максимальный размер зазора 13 не может превышать 2,5 нм.

Минимальный размер зазора 13 также имеет свой предел. С одной стороны, он должен быть таков, чтобы не произошло случайного прямого контакта электродов между собой, в результате которого произойдет короткое замыкание и устройство перестанет действовать. Данное требование носит чисто технологический характер. Но, с другой стороны, при уменьшении величины зазора одновременно с ростом числа фотонов будет расти и степень их взаимодействия с электронами и кристаллической решеткой металлов электродов. Данные взаимодействия могут носить различный характер и в каждом конкретном случае целесообразно определять его воздействие на величину мощности генерируемого излучения. Поэтому минимальная величина зазора 13 подбирается с учетом приведенных факторов с тем, чтобы получить максимальную величину мощности генерируемого излучения. Ориентировочно, ширину зазора 13 не желательно делать менее 0,5 нм.

Форма в плане электродов (полос) также может быть различная. При этом протяженная зона взаимодействия может быть выполнена как приблизительно прямолинейной, так и криволинейной. Главное, чтобы обеспечивалось условие обязательного перекрытия электронных волновых функций смежных электродов (полос). Наиболее просто это достигается, если электроды (полосы) приблизительно параллельны, в том числе прямолинейны на участках зон взаимодействия. Однако, естественно, полосы могут иметь и другие формы в плане и в пространстве.

Размещение электродов 1 и 8 на подложке 15 также может быть выполнено по разному. Например, атомы металла могут быть непосредственно “уложены” на поверхность подложки 15 средствами нанотехнологии в виде “дорожек”, и они будут удерживаться на ней за счет сил молекулярного сцепления.

Разность электрических потенциалов между протяженными электродами (величина подводимого напряжения) также может быть выбрана в некотором диапазоне. Ориентировочно она составляет от 0,5 вольта до 5 вольт. Разность электрических потенциалов зависит от длины волны излучения, которую необходимо получить. Чем короче длину волны необходимо получить, тем большее напряжение необходимо подвести. Поскольку расстояние (зазор) между протяженными электродами (полосами) невелико (около 1 нм), то напряженность электромагнитных полей между этими электродами достигает очень больших величин (мегавольт/см). Если необходимо получить постоянный источник света, то используется постоянное напряжение между протяженными смежными электродами. Но к электродам может быть приложено и переменное напряжение, если надо получить модулированное излучение (например, импульсное излучение на выходе для передачи информации).

Для защиты электродов от воздействия окружающей среды (предотвращения окисления и т. д.), а также для защиты от попадания пыли в зазор между полосами, от механических повреждений и т.п., электроды желательно оснастить соответствующей защитой. Такая защита может, например, выглядеть в виде покрытия, представляющего собой твердый оптически прозрачный изолятор с минимальным поглощением генерируемого излучения. В качестве такого покрытия электродов может быть использован кварц, в том числе напыленный.

Регулирование энергии на выходе излучателя можно осуществлять, в частности, за счет следующих мер:
1. За счет изменения напряжения, подводимого к паре электродов (полосам);
2. За счет ввода внутрь пространства, в котором генерируется излучение, например, между электродами (пластинами) поглотителя электромагнитной энергии, в частности, в виде пластины из материала, поглощающего электромагнитное поле (данный прием по технологическим причинам наиболее целесообразен при сравнительно больших размерах генератора, например, когда его длина составляет около 1 см);
3. За счет изменения общей длины электродов, в результате выполнения устройства составным из нескольких последовательно размещенных пар электродов, которые являются секциями единой усиливающей туннельной зоны, с образованием при этой общей волноводной структуры, канализирующей генерируемое излучение, с возможностью подачи разности потенциалов к отдельным секциям от источника электрической энергии независимо от остальных, с обеспечением регулирования таким образом длины зоны, усиливающей генерируемое излучение, и, соответственно, выходную мощность устройства. В этом случае, за счет отключения одной или нескольких секций (пар электродов) можно сравнительно просто уменьшить выходную мощность излучателя, а в результате подключения дополнительных секций (пар электродов) увеличить ее.

В частности, для регулирования энергии на выходе излучателя за счет изменения напряжения, подводимого к электродам, в качестве внешнего источника электрической энергии может быть использован источник постоянного напряжения с возможностью регулирования разности потенциалов между электродами или источник переменного напряжения с возможностью регулирования его параметров.

Заявленное устройство может быть изготовлено различными путями и иметь различные модификации конструктивного выполнения.

На фиг. 8 изображена одна из многочисленных модификаций заявленного устройства, выполненная в виде плоской конструкции (планара).

Это устройство включает корпус 24, внутри которого на подложке 25 размещены электроды 26, изготовленные из электропроводящего материала (металла, сплава и т. д.). В передней стенке 27 устройства образован проем, закрытый прозрачным для генерируемого излучения материалом, например, стеклом 28. К электродам 26 подключены проводники от источников электрического потенциала (на фигуре не показаны) в соответствии с приведенными выше принципами.

Установленная внутри корпуса подложка с электродами может быть прикреплена к боковым стенкам корпуса при помощи клея. Однако возможно использование и других приемов крепления.

Полость внутри корпуса может быть вакуумирована, заполнена газом, жидким или твердым диэлектриком, прозрачными для генерируемого излучения и защищающими материал полос от окисления.

Для регулирования мощности генерируемого излучения устройство может быть оснащено поглотителем генерируемого излучения. Последний может иметь различные выполнения. В частности, поглотитель генерируемого излучения может быть выполнен в виде пластины 29, покрытой поглощающим генерируемое излучение материалом, установленной с возможностью выдвижения в полость устройства. В качестве такого материала можно использовать, например, аморфный углерод типа сажи (техническое название “аквадаг”), напыленный на стальной лист. Для обеспечения ввода в электромагнитное поле и вывода оттуда пластина 29 снабжена приводом (на фигуре не показан).

Описанная плоская конструкция имеет сравнительно большие размеры (около 1 см), так как только в этом случае целесообразно оснащение его отдельным корпусом 24 с выдвижным поглотителем генерируемого излучения в виде пластины 29 для регулирования мощности генерируемого излучения.

При выполнении устройства значительно меньших размеров регулировать мощность описанным приемом будет весьма затруднительно. В этом случае регулирование можно осуществлять за счет изменения длины зон взаимодействия электродов (длин этих электродов), в результате выполнения электродов составными, например, из нескольких последовательно размещенных пар, которые являются секциями единой усиливающей, туннельной зоны, с образованием при этой общей волноводной структуры, канализирующей генерируемое излучение, с возможностью подачи разности потенциалов к отдельным секциям от источника электрической энергии независимо от остальных, с обеспечением регулирования таким образом длины зоны, усиливающей генерируемое излучение, и, соответственно, выходную мощность устройства. В этом случае, за счет отключения одной или нескольких секций (пар электродов) можно уменьшить выходную мощность излучателя, а в результате подключения дополнительных секций (пар электродов) увеличить ее.

Изменение общей длины, в результате выполнения устройства составным из нескольких последовательно размещенных пар электродов, может быть реализовано различными конструктивными решениями.

Например, как показано на фиг. 9, пара электродов 30 одной секции имеет длину значительно большую, чем любая пара электродов 31, 32, 33, образующих остальные секции и имеющих одинаковые между собой длины. Подача от источника электрической энергии разности потенциалов к отдельным электродам каждой отдельной секции, образованной парами электродов 30, 31, 32, и 33, производится независимо от остальных. Поэтому, например, подведя сначала разность потенциалов к паре электродов 30, мы получим определенную выходную мощность генерируемого излучения. Если затем разность потенциалов подведем к паре электродов 31, то за счет этого произойдет увеличение суммарной длины зоны, генерирующей излучение, и, соответственно, увеличение выходной мощности генерируемого излучения. Подключая следующие секции можно дополнительно увеличивать выходную мощность. Для уменьшения выходной мощности необходимо отключать пары электродов. В принципе возможна любая комбинация подключений и отключений пар электродов. Однако для получения требуемого изменения величины мощности на выходе каждая из комбинаций должна быть предварительно рассчитана. В частности, можно сначала подвести разность потенциалов от источника электрической энергии к паре электродов 33, затем к паре электродов 32, потом к паре электродов 31 и так далее. Поскольку пары электродов 31, 32, 33 имеют одинаковую длину, то изменение мощности при подаче на них разности потенциалов (или, наоборот, отключении) будет носить прямо пропорциональный характер. Возможны и другие комбинации подключений или отключений пар электродов.

Изображенная на фиг. 10 модификация заявленного устройства отличается от показанной на фиг. 9 тем, что электроды каждой последующей секции по длине в 2 раза больше электродов предыдущей секции, а именно, электроды 36 в два раза больше по длине электродов 37. В свою очередь, электроды 35 в 2 раза по длине больше электродов 36, и так далее. Электроды 34 могут быть в 2 раза больше электродов 35 (но могут иметь и другую длину).

Поскольку подача разности потенциалов к отдельным секциям (к отдельным парам электродов 34, 35, 36, 37) от источника электрической энергии осуществляется независимо от остальных, то указанная в предыдущем абзаце особенность дает возможность дискретного управления мощностью излучателя аналогично работе цифроаналогового преобразователя. Например, на пары электродов пользователь может подать кодовую комбинацию, и в результате на выходе получить величину мощности, соответствующей сумме мощностей сигналов, снимаемых с каждой секции (с каждой пары электродов).

Еще одна составная модификация заявленного устройства изображена на фиг. 11. Согласно ей один электрод 38 имеет длину, равную полной длине устройства и является единым “левым” электродом, а каждый из остальных электродов 39, 40, 41 и 42 расположен справа от электрода 38, образуя с ним пару, и имеет меньшую длину.

Дополнительным преимуществом такой модификации является упрощение коммутирования, которое выражается в уменьшении количества проводов 43, необходимых для подключения разности потенциалов от источника электрической энергии.

Кроме того, заявитель считает необходимым отметить следующее.

Приведенная на страницах 23 и 41 настоящего описания математическая формула эффективности устройства, представляющая собой отношение усиления к потерям, описывает условие, при котором в заявленном устройстве достигается суперлюминесцентный или генерационный режим. В виду ее оригинальности, новизны и важности для изобретения заявитель считает необходимым привести здесь ниже ее вывод, как неотъемлемую составную часть описания данной заявки.

Прежде всего проанализируем следующий вопрос:
1. Усиление при туннелировании.

Для этого рассмотрим два одинаковых металлических образца с плоскими поверхностями, разделенных небольшим диэлектрическим или вакуумным промежутком, между которыми приложено небольшое напряжение V. Известно, что при достаточно малом зазоре между поверхностями металлов между ними протекает
туннельный ток. Об этом было достаточно подробно сказано выше. Известно также, что прохождение туннельного тока сопровождается оптическим излучением. Как отмечалось ранее, физическая причина этого заключается в следующем. Волновые функции электронных состояний металлов подбарьерно проникают в диэлектрик или вакуум (фиг. 12 и фиг. 13) на небольшую глубину. Это касается, как заполненных электронных состояний, так и незаполненных. При сближении металлов в случае, скажем, когда левый металл находится под более высоким потенциалом, чем правый, заполненные электронные состояния левого металла оказываются лежащими выше незаполненных электронных состояний правого металла. Вследствие этого становится возможным квантовый переход между этими состояниями с излучением фотонов. Вероятность таких переходов определяется матричным элементом энергии взаимодействия электронной системы с электромагнитным полем. Последний же заметно отличен от нуля лишь при существенном перекрытии волновых функций заполненных и незаполненных электронных состояний, т.е. при достаточной малости зазора между поверхностями металлов.

Вообще говоря, волновые функции электронных состояний металлов возмущаются как соседним металлом, так и приложенным полем. Однако, эти изменения не имеют качественного характера и в наших дальнейших расчетах приниматься во внимание не будут.

Как известно (5), (6), вероятность испускания фотона в единицу времени в электромагнитную моду с индексом равна

где

– матричный элемент взаимодействия электронов с полем,

– ток перехода между электронными состояниями левого () и правого () металлов.

Другие символы вышеприведенных формул общеизвестны в физике и означают следующее (вообще, здесь и далее используются общепринятые в физике символы, в частности, использованные в источниках (5) и (6)):
E и E – энергии уровней, между которыми происходит переход;
– функция Дирака;
– постоянная Планка;
– собственная частота моды, в которую происходит излучение;
поле моды в месте расположения электрона ;
, – волновые функции электронов, соответственно, левого и правого металлов;
e,m – заряд и масса электрона;
i – мнимая единица.

Предполагается, что поле моды перпендикулярно поверхности металла. Тогда важна только z-компонента тока, равная

где поперечные составляющие импульсов;
поперечный радиус-вектор;
C,C – нормировочные константы волновых функций электронов;

a,a – функции, описывающие проникновение электронной волны в вакуум или диэлектрик;
d – ширина туннельного зазора,
L – толщина металлического образца (несущественна, в дальнейших расчетах сокращается);
S – площадь туннельного контакта и определяет глубину проникновения в диэлектрик (или вакуум) электронных волновых функций
l = /.
Интеграл, входящий в матричный элемент M<sup>, (2), равен


причем символ Кронекера.</sup>

Величина J_, уменьшается как при d _ ,, так и при d —> 0;
поэтому величину зазора d следует определять из условия максимальности J_,/ для наиболее важной группы электронов – при этом
Таким образом, матричный элемент (2) равен

и вероятность испускания фотона имеет вид

где p_z,p_z – компоненты электронных импульсов, нормальные к поверхности металлов.

Воспользовавшись свойствами символа Кронекера, производим суммирование по

причем под знаком суммы следует положить
p_x= p_x, p_y= p_y.
Далее суммирование заменяем интегрированием, при этом число состояний, приходящихся на интервал dp_xdp_y, равно
Sdp_xdp_y/(2)²,
а на интервал dp_z приходится
Ldp_z/()
состояний.

Учтем также множитель 2, обусловленный двумя спиновыми состояниями электрона; этот множитель следует учесть лишь для одного из металлов, поскольку излучательный переход происходит без изменения спина.

В результате получаем

наличие – функции под знаком интеграла дает возможность произвести интегрирование по p_z

где корень уравнения

При интегрировании по p_z имеются определенные пределы интегрирования. Если корень приведенного выше уравнения лежит вне этих пределов, то интегральное выражение в (9) равно нулю. Это условие накладывает ограничения на область, по которой происходит интегрирование по поперечным компонентам импульса
Определим эти ограничения.

Зависимость энергии электронов от импульса вблизи поверхности Ферми имеет вид

где импульс электрона;
W – работа выхода и E – химический потенциал электронной системы фермиевский импульс).

Учитывая сдвиг уровней металлов под действием приложенного напряжения V, для левого и правого металлов получаем следующие выражения

Подставляя эти выражения в уравнение (10), получим

Вообще говоря, величина eV- должна быть малой, так как рассматриваемые состояния предполагаются близкими к уровню Ферми. Однако, при оценках можно полагать В рассматриваемом нами случае уровни левого металла должны быть заполненными, а уровни правого металла – свободными.

Это дает два условия

где P_F – фермиевский импульс металлов.

С учетом формулы (2) из этих условий следуют ограничения на область интегрирования по импульсам

Выделим интеграл в выражении для Г

Переходя к полярным координатам, получим


Интегрируя по , получим

Так как величина p изменяется в узких пределах между p_F и то логарифм можно считать константой порядка единицы, полагая в нем Тогда

Используя это выражение, получаем вероятность излучения фотонов в единицу времени в электромагнитную моду с индексом

где c – скорость света в вакууме.

Приближенно можно положить

Соответственно, мощность излучения в электромагнитную моду с индексом равна

Рассмотрим теперь второй вопрос.

2. Плазмонная волна вблизи тонких металлических слоев.

Для этого рассмотрим систему слоев, схематично изображенную на фиг. 14. Волны в этих слоях можно разделить на волны, падающие на границы разделов, и волны, отраженные от них. Первые имеют вид

вторые –

где электрическое и магнитное поля;
H₀ – амплитуда волны;
h, к – компоненты волнового вектора;
диэлектрическая проницаемость среды;
e – основание натуральных логарифмов (Неперово число, приближенно равное 2,71828182845…..).

Согласно волновому уравнению компоненты волнового вектора h и к во всех средах связаны соотношениями

где _ диэлектрическая проницаемость среды.

Константа распространения вдоль поверхности h и волновое число k одинаковы для всех сред, поскольку рассматривается единая для всех слоев волна. Величины же к и различны для разных сред и должны нести индексы соответствующих сред (см. ниже).

Во втором диэлектрике есть только отраженная волна и нет падающей, на границах слоев непрерывны касательные компоненты полей, а на плоскости симметрии магнитные поля падающей и отраженной волн равны друг другу (при этом E_x – компонента
электрического поля максимальна). Эти условия дают пять уравнений с пятью неизвестными

где к₁, к_m, к₂ – константы распространения в направлении x, соответственно, в первом диэлектрике, металле и втором диэлектрике;
₁,_met,₂ – диэлектрические проницаемости этих сред;
H₁, H_m, H₂ – амплитуды магнитных полей x, соответственно, в первом диэлектрике, металле и втором диэлектрике; штрихом отмечены амплитуды отраженных волн.

Полагая падающую волну во втором диэлектрике отсутствующей (H₂ = 0), приходим к однородной системе из пяти уравнений с пятью неизвестными, детерминант которой должен быть равен нулю. Это условие есть характеристическое уравнение (_m= –_met, Re_m 0)

относительно к₁, величины являются функциями к₁(₁>₂)

d – толщина металлического слоя;
2a – толщина второго диэлектрика.

Рассмотрим случай a = 0, при этом рассматриваемая волна становится симметричной плазменной волной (фиг. 15). Для нее имеет место характеристическое уравнение

где
Будем считать величину малой, т.е. металлический слой – прозрачным. Тогда

Из второго соотношения можно найти затухание рассматриваемой волны

Отметим, что затухание уменьшается из-за уменьшения толщины слоя металла и дополнительно из-за расширения волны в поперечном направлении, отсюда фактор (kd)². Кроме того, поле в металле в _m/₂ раз меньше, чем в диэлектрике, и это дает фактор (_m/₂)², так как потери есть квадратичная функция относительной величины поля.

Эти оценки пригодны и при наличии туннельного зазора размером 2a, так как этот зазор пренебрежимо мал. Уточненные оценки влияния этого зазора на электродинамику устройства можно получить из характеристического уравнения, рассматривая туннельный зазор как возмущение, т.е. считая величину к₁a малой.

Наконец, рассмотрим третий вопрос:
3. Сравнение коэффициентов усиления и потерь.

Мощность излучения в электромагнитную моду с индексом , приходящаяся на единицу площади, равна

На длине l и ширине L за время t генерируется энергия
E = wlLt;
при этом за то же время через эффективный волновод проходит энергия

Коэффициент усиления равен отношению этих величин, деленному на длину l,

Затухание рассматриваемой волны равно

Эффективность излучателя можно определить как отношение усиления к потерям. Если эффективность излучателя больше единицы, то при достаточно большой его длине возникнет суперлюминесцентный режим, а при замыкании выхода на вход – генерационный режим.

Эффективность рассматриваемой системы равна

– постоянная тонкой структуры
условие >1 как раз и есть соотношение, приведенное ранее в данном описании к настоящей заявке.

Полагая

получим

Таким образом, при очень тонких металлических слоях в системе возможно усиление, а при оптической связи выхода на вход возможна генерация.

Как отмечалось ранее, если эффективность излучателя больше единицы, то при достаточно большой его длине возникнет суперлюминесцентный режим, а при связи выхода со входом – генерационный режим.

Остановимся на этих режимах подробнее.

Генерационный режим возможен в случае замкнутого контура, а также при наличии отражателей на обоих концах протяженных электродов.

Суперлюминесцентный режим возникает, когда нет отражения хотя бы от одного конца электродов.

Суперлюминесцентный и генерационный режимы имеют как преимущества, так и недостатки.

При генерационном режиме качество излучения (например, когерентность) выше, но перестройка по частоте посредством изменения напряжения на электродах возможна лишь скачком, перескоком с одной моды на другую.

При суперлюминесцентном режиме возможна плавная перестройка по частоте посредством изменения напряжения на электродах, но спектр излучения несколько шире.

Согласно изобретению решается задача создания малогабаритного монохроматического перестраиваемого излучателя со значительно повышенной мощностью излучения. Такой излучатель чрезвычайно полезен в самых различных отраслях промышленности, науки, техники, обыденной жизни. Например, он может найти применение при медицинской диагностике, при решении различных практических задач, связанных с анализом среды, при проверке качества пищевых продуктов, при распознавании фальшивых банкнот и т.д.

Помимо приведенных вариантов изобретения возможны и многочисленные другие его модификации. В частности, возможен не только описанный вариант с расположением электродов на общей плоской подложке, но и сложное размещение их в пространстве. Например, несколько параллельных между собой электродов могут быть размещены на боковой поверхности цилиндрического тела (образующей цилиндра) из диэлектрического материала и т.д.

Эти и многочисленные другие варианты заявленного изобретения охватываются приведенной далее заявителем формулой изобретения.

Источники информации
1. Справочник по лазерам, под ред. А.М.Прохорова, т.1, Москва, Советское радио, 1978, стр.360.

2. В.Г.Дмитриев, Л.В.Тарасов. Прикладная нелинейная оптика. Москва, Радио и связь, 1982, стр. 277.

3. J.K.Gimzewski, J.K.Sass, R.R.Schlitter, J.Schott, Europhys. Lett.., 8 (1989) 435 (прототип).

4. H.Raether, Surface Plasmons, (Springer-Verlag, Berlin, 1986).

5. A.Messiah, Quantum Mechanics, v.2.

6. Л. Д. Ландау, Е.М.Лифшиц, Quantum mechanics, 1989, M., Science, стр. 190.

Формула изобретения

1. Способ генерирования электромагнитного излучения, согласно которому электромагнитное излучение получают посредством обеспечения прохождения электронов через туннельный переход с одновременным взаимодействием электронов с генерируемым излучением в зоне взаимодействия, в результате применения, по меньшей мере, пары электродов из электропроводящего материала, расположенных друг относительно друга на таком расстоянии, чтобы обеспечивалось перекрытие волновых функций электронных систем этих электродов, при одновременном обеспечении смещения энергетических уровней электронных систем этих электродов друг относительно друга за счет подведения к электродам разности потенциалов от внешнего источника электрической энергии, отличающийся тем, что используют протяженную зону взаимодействия генерируемого излучения с электронами, проходящими через туннельный переход, а также тем, что применяют, по меньшей мере, пару электродов протяженной формы с образованием волноводной структуры с уменьшенными оптическими потерями, канализирующей генерируемое излучение вдоль протяженной зоны взаимодействия.

2. Способ генерирования излучения по п.1, отличающийся тем, что толщина каждого электрода меньше характерной глубины проникновения в него генерируемого излучения.

3. Способ генерирования излучения по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве материала электродов используют материал, характеризующийся малым поглощением в нем генерируемого излучения.

4. Способ генерирования излучения по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что формы электродов подобраны так, чтобы обеспечить величину электрического поля излучения в электродах меньшую по сравнению с величиной электрического поля излучения в зазоре между электродами.

5. Способ генерирования излучения по п.1, отличающийся тем, что электрические потенциалы прилагают к электродам с возможностью регулирования этих потенциалов.

6. Способ генерирования излучения по п.1, отличающийся тем, что протяженная зона взаимодействия выполнена приблизительно прямолинейной.

7. Способ генерирования излучения по п.1, отличающийся тем, что протяженная зона взаимодействия выполнена криволинейной.

8. Способ генерирования излучения по п.1, отличающийся тем, что протяженная зона взаимодействия выполнена замкнутой.

9. Устройство для генерирования излучения, включающее, по меньшей мере, пару электродов из электропроводящего материала, расположенных друг относительно друга на таком расстоянии, чтобы обеспечивалось перекрытие волновых функций электронных систем этих электродов, с подведением к электродам разности потенциалов от внешнего источника электрической энергии для обеспечения сдвига энергетических уровней электронных систем этих электродов друг относительно друга так, чтобы обеспечивалась возможность генерирования электромагнитного излучения посредством взаимодействия этого излучения с электронами, проходящими через образовавшийся туннельный переход, отличающееся тем, что по меньшей мере, пара электродов выполнена с уменьшенным оптическим поглощением и имеет такую протяженную форму в пространстве, при которой зона взаимодействия генерируемого излучения с электронами, проходящими через туннельный переход, является протяженной, с образованием при этом волноводной структуры, канализирующей генерируемое излучение вдоль протяженной зоны взаимодействия.

10. Устройство для генерирования излучения по п.9, отличающееся тем, что толщина каждого из электродов меньше характерной глубины проникновения в него генерируемого излучения.

11. Устройство для генерирования излучения по п.9 или 10, отличающееся тем, что формы электродов из электропроводящего материала подобраны так, что величина электрического поля излучения в электропроводящем материале меньше величины электрического поля излучения в зазоре между электродами.

12. Устройство для генерирования излучения по п.9, или 10, или 11, отличающееся тем, что в качестве электропроводящего материала электродов использован электропроводящий материал, характеризующийся малым поглощением в нем генерируемого излучения.

13. Устройство для генерирования излучения по п.12, отличающееся тем, что в качестве электропроводящего материала электродов использован металл.

14. Устройство для генерирования излучения по п.12, отличающееся тем, что в качестве электропроводящего материала электродов использован полупроводник.

15. Устройство для генерирования излучения по п.12, отличающееся тем, что в качестве электропроводящего материала электродов использованы окислы металлов.

16. Устройство для генерирования излучения по п.12, отличающееся тем, что в качестве электропроводящего материала электродов использован металлический сплав.

17. Устройство для генерирования излучения по п.9, отличающееся тем, что в качестве электропроводящего материала электродов использован оптически прозрачный материал.

18. Устройство для генерирования излучения по п.9, отличающееся тем, что электроды защищены покрытием, представляющим собой твердый оптически прозрачный изолятор с минимальным поглощением генерируемого излучения.

19. Устройство для генерирования излучения по п.18, отличающееся тем, что в качестве покрытия электродов использован кварц.

20. Устройство для генерирования излучения по п.9, отличающееся тем, что в качестве внешнего источника электрической энергии использован источник постоянного напряжения.

21. Устройство для генерирования излучения по п.20, отличающееся тем, что источник постоянного напряжения выполнен с возможностью регулирования величины разности потенциалов между электродами.

22. Устройство для генерирования излучения по п.9, отличающееся тем, что в качестве внешнего источника электрической энергии использован источник переменного напряжения с возможностью регулирования его параметров.

23. Устройство для генерирования излучения по п.9, отличающееся тем, что оно характеризуется следующими параметрами: ширина каждого электрода 0,5 – 2,5 нм; зазор между электродами 0,5 – 2,5 нм; величина подведенного электрического потенциала между двумя смежными электродами 0,5 – 5 В.

24. Устройство для генерирования излучения по п.9, отличающееся тем, что оно характеризуется превышением усиления генерируемой плазменной волны над ее затуханием, то есть выполнением следующего условия:

где – эффективность устройства;
коэффициент усиления плазменной волны;
– коэффициент затухания плазменной волны;
= 1/137 – постоянная тонкой структуры;
– постоянная Планка;
– длина волны излучения;
– частота в рад.сек., соответствующая длине волны излучения;
d – толщина металлического слоя;
₂ – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, окружающего металлические слои;
_m – модуль вещественной части диэлектрической проницаемости металла;
_m – мнимая часть диэлектрической проницаемости металла, определяющая потери излучения в нем;
V – напряжение на электродах;
е – заряд электрона;
– число, приблизительно равное 3,14… .

25. Устройство для генерирования излучения по п.9, отличающееся тем, что оно образовано несколькими парами электродов, которые являются секциями усиливающей туннельной зоны, с образованием при этом общей волноводной структуры, канализирующей генерируемое излучение, с возможностью подачи разности потенциалов к отдельным секциям от источника электрической энергии независимо от остальных, с обеспечением регулирования таким образом длины зоны, усиливающей генерируемое излучение, и, соответственно, выходную мощность устройства.

26. Устройство для генерирования излучения по п.9, отличающееся тем, что образующие волноводную структуру электроды выполнены в виде полос, размещенных приблизительно параллельно на подложке из диэлектрика, прозрачного для генерируемого излучения, которая установлена в камере, в стенке которой образован, по меньшей мере, один проем, закрытый материалом, прозрачным для генерируемого излучения.

27. Устройство для генерирования излучения по п.26, отличающееся тем, что внутри камеры образован вакуум.

28. Устройство для генерирования излучения по п.26, отличающееся тем, что камера заполнена газообразным диэлектриком, прозрачным для генерируемого излучения.

29. Устройство для генерирования излучения по п.26, отличающееся тем, что оно оснащено поглотителем генерируемого излучения.

30. Устройство для генерирования излучения по п.29, отличающееся тем, что поглотитель генерируемого излучения выполнен в виде пластины, покрытой поглощающим генерируемое излучение материалом и установленной с возможностью перемещения внутрь камеры.

31. Устройство для генерирования излучения по п.26, отличающееся тем, что оно оснащено, по меньшей мере, одним отражателем генерируемого излучения.

32. Устройство для генерирования излучения по п.26, отличающееся тем, что электроды выполнены приблизительно прямолинейными.

33. Устройство для генерирования излучения по п.26, отличающееся тем, что электроды выполнены криволинейными.

34. Устройство для генерирования излучения по п.33, отличающееся тем, что электроды выполнены в виде замкнутых кривых.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 03.02.2006

Извещение опубликовано: 20.03.2007 БИ: 08/2007