Способ преобразования оптического излучения

При попадании излучения на тело происходит их взаимодействие. Часть излучения отражается, часть проходит через него, часть поглощается телом. Отраженные и прошедшие излучения отличаются от упавшего на тело по мощности, спектральному составу и направлению потока излучения.

Φ ₀ Φ _ρ

Φ₀ – излучение, Φ _ρ – отраженное стеклом, Φ_τ – прошедшее, Φ_α – поглощенное.

Способность тела к подобному преобразованию характеризуется коэффициентами:

Если коэффициенты определяются по преобразованию световых потоков (F,лм), то их называют световыми:

Воздействие окрашенной оптической среды на излучение зависит от спектрального состава излучения Φ₀(λ) и спектральной кривой оптической среды.

При прохождении спектральной кривой Φ₀(λ) через светофильтр со спектральной кривой пропускания τ(λ) вышедшее из светофильтра излучение имеет другой спектральный состав и другую мощность:

Φ₀ τ Φ_τ

λ

Спектральную кривую вышедшего из светофильтра излучения можно рассчитать по спектральным кривым, используя формулу Φ_τ(λ)= Φ₀(λ)* τ(λ)

Источник

способ преобразования частоты оптического излучения

Изобретение относится к области преобразования оптического излучения с применением нанотехнологий. Способ преобразования частоты оптического излучения характеризуется тем, что облучают белым светом прозрачные наночастицы объемом порядка 10 -15 см 3 , активированные примесными атомами с концентрацией порядка 10 20 -10 21 см -3 и укрепленные в виде монослоя на прозрачной подложке. Наночастицы могут быть выполнены из стекла и закреплены на подложке посредством оптически прозрачного клея, при этом подложка может быть выполнена, в частности, гибкой. Технический результат — обеспечение высокой яркости излучения. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения

1. Способ преобразования частоты оптического излучения, характеризующийся тем, что облучают белым светом прозрачные наночастицы объемом порядка 10 -15 см 3 , активированные примесными атомами с концентрацией порядка 10 20 -10 21 см -3 и укрепленные в виде монослоя на прозрачной подложке.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что наночастицы выполнены из стекла.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что наночастицы закрепляют на подложке посредством оптически прозрачного клея.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что подложка выполнена гибкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области преобразования оптического излучения с применением нанотехнологий.

Известен прием получения монохроматического излучения с использованием наночастиц и создания на его основе цветных чернил. Для этого создают смесь, содержащую сферические наночастицы из двуокиси кремния диаметром около 3·10 -4 мм, полимерный электропроводный гель и растворитель. Под действием электрического потенциала, приложенного к так называемому «коллоидному кристаллу», влияют на степень взаимодействия геля и растворителя и тем самым управляют расстояниями между наночастицами, наносимыми на поверхность. Благодаря процессам интерференции, отраженный от частиц свет приобретает определенную монохроматичность [Журнал Nature; http://www.nature. com/nsu/ 030317/030317-1.htm1].

Известный прием получения монохроматического излучения:

1) не обеспечивает достаточную яркость света, отраженного от частиц двуокиси кремния,

2) цвет чернил имеет зависимость от облучающего света,

3) подбор чернил одинакового цвета проблематичен, так как цвет одновременно зависит от химического состава растворителя, геля и от приложенного потенциала,

4) излучение может быть качественно получено под углом облучения и отражения вблизи угла 90° (в направлении нормали к поверхности с чернилами).

Техническая задача состоит в получении монохроматического оптического излучения путем преобразования частоты оптического излучения с обеспечением высокой яркости излучения в заданном диапазоне оптического спектра с малым потреблением энергии и с возможностью обзора излучения в произвольном направлении в пределах полусферы над излучающей поверхностью.

Заявляется способ преобразования частоты оптического излучения, характеризующийся тем, что облучают белым светом прозрачные наночастицы объемом порядка 10 -15 см 3 , активированные примесными атомами с концентрацией порядка 10 20 -10 21 см -3 и укрепленные в виде монослоя на прозрачной подложке.

Наночастицы могут быть выполнены из стекла (двуокиси кремния) и закреплены на подложке посредством оптически прозрачного клея, при этом подложка может быть выполнена, в частности, гибкой.

Способ поясняется показанной на фигуре схемой взаимодействия двух наночастиц при облучении белым светом.

Оптически прозрачные, например, из стекла, наночастицы 1 объемом порядка 10 -15 см укреплены на поверхности прозрачной, например из стекла, подложки 2 с помощью оптически прозрачного клея 3. В качестве примера такого клея может служить NORLAND OPTICAL ADHESIVE. Наночастицы содержат примесные атомы 4 простого вещества, выбор которого произволен, не связан с выбором цвета излучения и основан на технологической целесообразности применения того или иного материала, например, бора; бария; фосфора.

При концентрации примесных атомов 10 20 -10 21 см -3 ансамбли атомов взаимодействуют между собой на расстояниях порядка 100 нм. Вблизи поверхности оптической среды, которую создают подложка, прозрачный клей и прозрачные наночастицы, в наночастицах, активировнных примесными атомами, происходит значительная перестройка спектра плотных ансамблей атомов. При облучении наночастиц белым светом наблюдается оптический ближнепольный резонанс. Математический подход к объяснению эффекта ближнепольного резонанса изложен [в Журнале Экспериментальной и Технической Физики, — 124, №3, с.516-528, 2003; в журнале «Успехи физических наук», 170, №11, с.1145-1181, 2000, — / О.Н.Гадомский. Проблема двух электронов и нелокальные уравнения электродинамики]. Частота вторичного излучения (окрашивание) зависит от концентрации примесных атомов. Отношение частоты со ближнепольного резонанса в спектре примесных атомов к частоте 0 квантового перехода примесных атомов из основного состояния в первое возбужденное электронное состояние равно приблизительно 2. Это означает, что при изменении концентрации примесных атомов в наночастицах изменяется частота вторичного излучения в пределах 2 0 . То есть имеет место преобразование частоты оптического излучения и получение вторичного оптического излучения в пределах всего видимого диапазона спектра от синего цвета до инфракрасного. Примесные атомы могут принадлежать одному произвольно выбранному простому веществу для получения монохроматических излучений различного цвета, или произвольному набору простых веществ. Подложка как элемент, создающий поверхность оптической среды, может быть плоской, отличной от плоскости, а также гибкой.

Примесные атомы в наночастицах когерентно излучают, что объясняет большие значения силы света и яркости излучения двух активированных наночастиц в результате ближнепольного взаимодействия. Интенсивность света пары наночастиц составляет величину порядка 10 12 фотонов/с и вычисляется в соответствии с углом между условной линией R между центрами соседних наночастиц и направлением излучения. Направление облучения белым светом мало влияет на яркость вторичного излучения. Диаграмма направленности вторичного излучения определяется законом sin 2 . Это означает, что излучение активированных наночастиц доступно для обзора с угла около 180°.

Способ характеризуется получением монохроматического излучения большой яркости и силы света при одновременно малом потреблении энергии. Для сравнения: источник света на p-n-переходе в GeAs излучают до 10 Вт света с площади 2·10 -5 см 2 . В соответствии с изобретением, на такой же площади 2·10 -5 см 2 размещается около 10 5 активированных наночастиц, что даст мощность около 10 2 Вт. Яркость такого субпикселя составляет около 500 кд/м 2 и, например, значительно превосходит яркость свечения полноцветного LEP-дисплея (Lijht Emitting Polimer — дисплея) [Компьютерное обозрение, 26 июля 1 августа 2000 г.]. Светоотдача субпикселя из 10 5 наночастиц, которая равна отношению светового потока в люменах к потребляемой мощности в ваттах на длине волны =600 нм, составляет приблизительно 1000 лм/Вт и значительно превышает светоотдачу, получаемую в современных приборах на основе гетероструктур [Юнович А.Э.// Природа 2001, №6, с.38-45.]. При этом потребляемая мощность одного субпикселя составляет около 2·10 -10 Вт.

Источник света из двух активированных наночастиц потребляет малую энергию, поскольку рассматриваемые оптические ближнепольные резонансы являются линейными резонансами. Так, для получения интенсивности 10 12 фотонов/сек требуется напряженность электрического поля внешнего оптического излучения, облучающего пару наночастиц, равное приблизительно Е 0I =10 ед. СГСЭ. Для сравнения приведем значение электрического поля E 0I , которое потребовалось бы для возбуждения всех двухуровневых примесных атомов в двух наночастицах. Это поле равно приблизительно 10 6 ед. СГСЭ, что сравнимо с внутриатомными полями, при которых необходимо учитывать нелинейные эффекты. Поэтому при использовании малоинтенсивных оптических полей для преобразования их частоты оптического излучения будет и малым поглощение энергии в наночастицах.

Изготовление наночастиц, активированных примесными атомами, доступно современным технологиям. Так Казанский физико-технический институт Академии наук осуществляет работы по имплантации атомов в поверхность и тонкие пленки.

Выделим основные преимущества заявляемого способа.

1. Относительная простота способа преобразования частоты оптического излучения и получения оптического изображения на основе эффекта оптических ближнепольных резонансов в системе активированных наночастиц. Оптическое излучение с соответствующими частотами во всем видимом оптическом диапазоне достигается лишь соответствующими концентрациями примесных атомов в наночастицах.

2. Наночастицы с примесными атомами устойчивы к процессам деградации и влиянию излучения. Так в LEP-дисплеях существует проблема расслоения покрытий из-за воздействия водяных паров, поэтому требуется особая герметичность полимерного экрана. Другой важной проблемой, препятствующей работе LEP-дисплеев, является восприимчивость пластика к ультрафиолетовым лучам, которые обесцвечивают его. Эту проблему пытались решить за счет многослойных структур, но дольше, чем на 5 лет, продлить жизнь полимерного дисплея так и не удалось. По данным Cambridge Display Technology срок службы частиц красного, зеленого и синего цветов составляет 100.000, 30.000 и 1000 часов соответственно [Компьютерное обозрение, 26 июля 1 августа 2000 г.].

3. Изготовление полноцветных дисплеев, реализующих заявляемый способ, приведет к их значительному удешевлению по сравнению с жидкокристаллическими, полимерными, плазменными дисплеями, а напыление наночастиц с помощью струйной технологии сделает возможным производство панелей различных форм и размеров.

Источник

2.3 Преобразование излучений оптическими средами

При попадании излучения на тело происходит их взаимодействие.

Часть излучения отражается от поверхности тела, часть – проходит через него, а часть – телом поглощается. Отраженные и прошедшие излучения отличаются от упавшего на тело по мощности, спектральному составу (цвету излучения) и направлению потока излучения.

Тело, преобразуя энергию излучения, также изменяется. В нем происходят фотофизические или фотохимические превращения (нагрев, изменение окраски и др.), причем эти изменения могут носить обратимый или необратимый характер.

Светотехника имеет дело с обоими видами взаимодействия тела и излучения, т.е. с преобразованием излучения и с преобразованием тела под действием поглощенного излучения.

Если тело предназначено для преобразования характеристик излучения, его называют оптической средой.

К числу оптических сред, широко используемых в светотехнике (и репродукционной технике), относятся светофильтры, объективы, зеркала, рассеивающие пленки и матовые стекла, призмы и др.

Если тело используется для получения в нем полезного фотопревращения, например формирования видимого изображения, оно является приемником излучения.

Взаимодействие оптического излучения, в том числе видимого, с оптическими средами приводит к его пространственным изменениям (отражение, преломление, дифракция), поглощению излучения (спектрально-избирательному и спектрально-неизбирательному), структурным изменениям излучения (поляризация, интерференция, дисперсия).

2.3.1 Преобразование оптическими средами мощности излучения и его спектрального состава

2.3.1.1 Оптические и световые коэффициенты

Свет, падая на поверхность, претерпевает физические изменения, характеризующиеся его переходом из одной среды в другую. При этом явлении происходит изменение его направления – преломление, разнообразие которого создаетрассеяние света.

В зависимости от степени неровности поверхностипредметов могут бытьзеркальнымиилишероховатыми, атела и среды–однороднымиинеоднородными.

В зависимости от физического строения тела или среды рассеяниепроявляется вотражении, пропускании или поглощениисветового потока.

Падающий на тело (среду) поток излучения Фразделяется слоем материала на составляющиеФ_R, Ф_А, Ф_Т (рис.2.7):

Рисунок 2.7 – Падающий поток излучения разделяется слоем материала на составляющие Φ_R, Φ_А и Φ_Т

Коэффициент отражения  равен отношению отраженного потока излучения Ф_R к упавшему потоку Ф

Коэффициент отражения характеризует светлоту поверхности в процентах (ρ100) относительно идеально белой с ρ = 1, ρ =100%.

Коэффициент пропускания  равен отношению прошедшего через материал потока излучения Ф_Т к упавшему потоку Ф:

Он характеризует прозрачность тел и сред.

Коэффициент поглощения  равен отношению поглощаемой материалом доли потока излучения Ф_А к упавшему потоку Ф:

Характеризует в основном оптическую плотность среды, ослабляющую поток излучения.

Рассчитанные таким образом коэффициенты являются оптическими.

Если коэффициенты определяются по преобразованию световых потоков(F, лм), то их называют световыми (фотометрическими).

Все изменения падающего света распространяются на точно определенную долю в его спектре и зависят от физического свойства тела и длины волны, но не зависят от силы падающего света.В фотографии оптические коэффициенты характеризуют в основном поверхности тел в соответствии со зрительными оценками их светлоты.

Если тела нейтрально-серые, т.е. имеют спектрально-неизбирательное поглощение, оптические и световые коэффициенты равны друг другу_.

Для окрашенных тел оптические и световые коэффициенты не совпадают. Описанные выше коэффициенты – интегральные, они оценивают преобразование сложного излучения в целом.

Имеется еще два рода коэффициентов: монохроматические и зональные. Первые оценивают действие оптической среды на монохроматическое излучение.

Зональные коэффициенты оценивают преобразование излучения, занимающего одну из зон спектра (синюю с500 нм, зеленую си красную с

Эти коэффициенты используются при работе с цветом.

Тела, пропускающие и поглощающие свет (кроме матовых и мутных сред), характеризуются оптической прозрачностью θ, непрозрачностью О и оптической плотностью D.

Часто вместо коэффициентов пропускания и отражения используют оптическую плотность D.

В фотографии оптическая плотность наиболее распространена для выражения спектральных свойств светофильтров и меры почернения (потемнения) негативов и позитивов. Величина плотности зависит от таких одновременно действующих факторов: структуры падающего светового потока (сходящихся, расходящихся, параллельных лучей или рассеянного света) структуры прошедшего или отраженного потока (интегрального, регулярного, диффузного).

Оптическая плотность D, мера непрозрачности слоя вещества для световых лучей. Равна десятичному логарифму отношения потока излучения F0, падающего на слой, к ослабленному в результате поглощения и рассеяния потоку F, прошедшему через этот слой: D = lg (F0/F), иначе, Оптическая плотность есть логарифм величины, обратной пропускания коэффициенту слоя вещества: D = lg (1/t).

В определении оптической плотности иногда десятичный логарифм lg заменяется натуральным ln.

Понятие Оптическая плотность введено Р. Бунзеном; оно используется для характеристики ослабления оптического излучения (света) в слоях и плёнках различных веществ (красителей, растворов, окрашенных и молочных стекол и многое др.), в светофильтрах и иных оптических изделиях.

Особенно широко оптическая плотность используются для количественной оценки проявленных фотографических слоев как в черно-белой, так и в цветной фотографии, где методы её измерения составляют содержание отдельной дисциплины — денситометрии. Различают несколько типов Оптическая плотность в зависимости от характера падающего и способа измерения прошедшего потоков излучения

Различается плотность D для белого света,монохроматическаяD_λ для отдельных длин волн изональнаяD_зон, выражающаяослабление светового потока в синей, зеленой или красной зоне спектра (D_c3,D_{3 3},D_{K 3}).

Плотность прозрачных сред (светофильтров, негативов) определяется в проходящем свете десятичным логарифмом величины, обратной коэффициенту пропускания τ:

Плотность поверхностей выражается величиной отраженного света и определяется десятичным логарифмом коэффициента отражения ρ:

Величина плотности D=lослабляет свет в 10 раз.

Интервал оптических плотностей прозрачных сред практически неограничен: от полного пропускания света (D = 0) до его полного поглощения (D= 6 и более, ослабление в миллионы раз). Интервал плотностей поверхностей предметов ограничен содержанием в их отраженном свете поверхностно отраженной составляющей порядка 4-1 % (черная типографская краска, черное сукно). Практически предельные плотностиD = 2,1. 2,4 имеют черный бархат и черный мех, ограничиваемые поверхностно отраженной составляющей порядка 0,6-0,3 %.

Оптическая плотность связана простыми зависимостями с концентрацией светопоглощающего вещества и со зрительным восприятием наблюдаемого объекта – его светлотой, чем и объясняется широкое использование этого параметра.

Заменив оптические коэффициенты на потоки излучения – упавший на среду (Ф₀) и вышедший из нее (Фτ или Фρ), получим выражения

Чем больше света поглощается средой, тем она темнее и тем выше ее оптическая плотность как в проходящем так и в отраженном свете.

Оптическая плотность может быть определена по световым коэффициентам. В этом случае ее называют визуальной.

Визуальная плотность в проходящем свете равна логарифму величины, обратной световому коэффициенту пропускания:

Визуальная плотность в отраженном свете определяется по формуле

Для нейтрально-серых оптических сред. т.е. для серых светофильтров, серых шкал, черно-белых изображений, оптические и световые коэффициенты совпадают, поэтому совпадают и оптические плотности:

Если известно, о какой плотности идет речь, индекс при D опускают. Описанные выше оптические плотности – интегральные, они отражают изменение мощностных характеристик белого (смешанного) излучения. Если оптическая плотность измеряется для монохроматического излучения, то ее называют монохроматической (спектральной). Она определяется с использованием монохроматических потоков излучения Ф_λ по формуле

В приведенных выше формулах лучистые потоки Ф, могут быть заменены на световые потоки F_λ, что следует из выражения

Поэтому можно записать:

Для цветных сред интегральные оптическая и визуальная плотности не совпадают, так как они рассчитываются по разным формулам:

Для фотоматериалов с прозрачной подложкой оптическая плотность определяется без плотности подложки и неэкспонированного эмульсионного слоя после обработки, называемой в совокупности «нулевой» плотностью или плотностью вуали D₀.

Суммарная оптическая плотность двух и более светопоглощающих слоев (например, светофильтров) равна сумме оптических плотностей каждого слоя (фильтра). Графически характеристика поглощения выражается кривой зависимости оптической плотности D от длины волны белого света λ, нм.

Оптическая прозрачностьΘ–характеристика вещества толщиной 1 см, показывающая, какая доля излучения заданного спектра в виде параллельных лучей проходит через него без изменения направления: Θ = Ф_τ/Ф.

Оптическая прозрачность связана не с пропусканием излучения вообще, а с его направленным пропусканием, и характеризует одновременно поглощение и рассеяние. Например, матовое стекло, оптически непрозрачное, пропускает рассеянный свет; УФ фильтры прозрачны для видимого света и непрозрачны для УФ излучения; черные ИК фильтры пропускают ИК излучение и не пропускают видимый свет.

Оптическую прозрачность определяет кривая спектрального пропускания для длин волн оптического диапазона излучений. Прозрачность объективов для белого света увеличивается при нанесении на линзы просветляющих покрытий. Прозрачность атмосферы зависит от наличия в ней мелких частиц пыли, газа, водяных паров, находящихся во взвешенном состоянии и влияющих на характер освещения и рисунок изображения при съемке. Прозрачность воды зависит от различных взвесей, мути и толщины ее слоя.

Оптическая непрозрачность О– отношение падающего светового потока к прошедшему через слой – величина, обратная прозрачности: О =Ф/Ф_τ =l/Θ. Непрозрачность может изменяться от единицы (полное пропускание) до бесконечности и показывает, во сколько раз уменьшается свет, проходя через слой. Непрозрачность характеризует плотность среды. Переход к оптической плотности выражается десятичным логарифмом непрозрачности:D = lg О =lg (l/τ) = — lg τ .

Спектральные отличия тел.По характеру излучения и поглощения светового потока все тела отличаются от ЧТ и условно делятся на селективные и серые, отличающиеся избирательным и неизбирательным поглощением, отражением и пропусканием. К селективным относятся хроматические тела, обладающие какой-либо цветностью, к серым – ахроматические. Термин «серый» характеризуется двумя признаками: характером излучения и поглощения относительно ЧТ и цветом поверхности, наблюдаемым в обиходе. Второй признак широко используется при визуальном определении цвета ахроматических тел – белых, серых и черных, отражающих спектр соответственно белого света от единицы до нуля.

Серое тело обладает степенью поглощения света, близкой к поглощению ЧТ. Коэффициент поглощения ЧТ равен 1, а серого тела – близок к 1 и также не зависит от длины волны излучения или поглощения. Распределение энергии, излучаемой по спектру, у серых тел для каждой данной температуры подобно распределению энергии ЧТ при той же температуре, но интенсивность излучения меньше в несколько раз (рис. 23).

Для несерых тел поглощение избирательно и зависит от длины волны, поэтому они считаются серыми лишь в определенных, узких интервалах длин волн, для которых коэффициент поглощения приблизительно постоянен. В видимой области спектра свойствами серого тела обладают уголь (α = 0,8) 3 / 3 3

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Источник

Вам также может понравиться

Ясень семена способ распространения

Ясень обыкновенный Fraxinus excelsior – так в ботанической

Ярлыки способы создания ярлыков ос windows

Создаем ярлыки на рабочем столе Windows Создаем ярлыки

Японское удобрение фуджима способ применения

Удобрения Фуджима Знаете потрясающее удобрение, палочка

Японский чай способ заварки

Технология заваривания японского чая Известно, что