СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G02F1/01 G01J5/00 

Изобретение относится к способам управления потоком излучения в ИК-области спектра и может быть использовано в практике создания оптических систем.

Известен способ управления потоком излучения путем размещения на его пути оптического элемента, изменения его оптических свойств воздействием на оптический элемент физическим фактором [1] В качестве оптического элемента используют фотохромные стекла на основе титанатов или ниобатов различных металлов, соединений циркония, висмута, стронция (ЦСТЛ-керамика), аморфных полупроводников, многослойных полимерных или масляных пленок, жидких кристаллов и т. д. управляющим физическим фактором может быть электрическое или магнитное поле, поток ультрафиолетового или видимого излучения.

Недостатки способа управления потоком излучения связаны с ограничением спектрального диапазона управляемого излучения, как правило, ультрафиолетом, видимым светом, ближней ИК-областью спектра. Число управляющих физических факторов ограничено перечисленными выше. Применение способа основано на использовании материалов с особыми свойствами, сложных по структуре и способам получения, высокими требованиями к чистоте.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ управления потоком излучения, включающий размещение на пути потока оптического элемента и изменение его оптических свойств воздействием на оптический элемент физического фактора [2] В качестве оптического элемента используют материал, содержащий адсорбцированную воду. Предварительно оптический элемент охлаждают до температуры начала восстановления водородных связей в адсорбированной воде, а изменение оптических свойств (пропускание, коэффициент отражения) оптического элемента производят путем охлаждения и/или нагрева оптического элемента в области температур восстановления-разрушения водородных связей в адсорбированной воде.

Недостатки известного способа связаны с ограничением области его температур низкими температурами. Температура начала восстановления водородных связей в адсорбированной воде составляет около -100^оС, а температура полного разрушения водородных связей в адсорбированной воде около -70^оС. Другим существенным недостатком способа является ограничение изменения пропускания, коэффициента отражения оптического элемента в цикле охлаждения-нагрева элемента необратимым образом в виде петли гистерезиса. Это ограничивает область применения способа, не позволяет проводить традиционную амплитудную модуляцию интенсивности потока излучения. Ограничение потенциальных практических применений способа связано также с уменьшением пропускания материала при охлаждении и его ростом при нагревании в термическом цикле.

По способу управления потоком излучения, включающему размещение на пути потока излучения оптического элемента, выполненного из материала, содержащего адсорбированную воду, и изменение свойств оптического элемента путем охлаждения и/или нагрева, согласно изобретению в качестве материала оптического элемента используют материал, содержащий дополнительно конституционную воду, а охлаждение и/или нагрев оптического элемента осуществляют в области температур от температуры восстановления водородных связей в адсорбированной воде до температуры удаления конституционной воды из материала оптического элемента.

Кроме того, осуществляют предварительное охлаждение или предварительный нагрев материала оптического элемента, при этом охлаждение ведут до температуры выше температуры начала восстановления водородных связей в адсорбированной воде, а нагрев до температуры ниже температуры начала удаления конституционной воды из материала оптического элемента.

Изобретение позволяет управлять потоком излучения в ИК-области спектра в широком диапазоне интенсивностей при разнообразии поведения оптических характеристик управляемого элемента, использовать распространенные оптические и иные материалы. При этом интенсивность излучения в зависимости от интервала температурного воздействия, спектрального диапазона излучения может изменяться как обратимо, так и необратимо. В различных спектральных диапазонах поглощения конституционной воды могут быть реализованы различные типы изменения характеристик оптического элемента. Реализация изобретения обеспечивает простоту конструкции для осуществления способа.

Изобретение базируется на явлении обратимого изменения оптических характеристик материалов в ИК-области в процессе изменения температуры, отражающего преобразования, происходящие в конституционной воде. Конституционная вода неразрывно связана с природой вещества материала, ее удаление всегда сопровождается утратой веществом его индивидуальных химических свойств. Конституционную воду можно рассматривать как связанную с катионами и анионами материала, а также посредством водородных связей с молекулами воды, участвующей в таком взаимодействии. Известно, что ионы искажают водородные связи между молекулами воды, повышая или понижая структурную температуру молекул воды. Количество молекул воды, взаимодействующих с тем или иным ионом в решетке материала и друг с другом, их поляризуемости, другие физические характеристики определяютcя только температурой. На этом основано обратимое изменение оптических характеристик управляемого элемента с изменением температуры.

На фиг. 1 даны ИК-спектры относительного коэффициента отражения пластинки талька при температуре 20^оС (кривая 1) и температуре -180^оС (кривая 2); фиг. 2 демонстрирует обратимое изменение интенсивности полосы поглощения 3024 см^-1 пластинки талька в цикле охлаждения-нагрева в области температур -63, 47^оС (прямая 3); фиг. 3 демонстрирует гистерезисное поведение относительного коэффициента отражения пластинки талька при изменении температуры в диапазоне -180, 20^оС на частоте 3024 см^-1 (кривая 4) и на частоте 3240 см^-1 (кривая 5); на фиг. 4 представлены температурные зависимости интенсивности полос поглощения исследуемой пластинки индийской слюды мусковита на частотах 3450 см^-1 (кривая 6), 3325 см^-1 (кривая 7), 3050 см^-1 (кривая 8), 2550 см^-1 (кривая 9) в температурном диапазоне цикла охлаждения-нагрева -180, 20^оС; на фиг. 5 температурные зависимости полос поглощения исследуемой пластинки слюды мусковита в максимуме поглощения соответственно на частотах 3450 см^-1 (прямая 10), 3220 см^-1 (прямая 11), 3050 см^-1 (прямая 12), 2725 см^-1 (прямая 13) в цикле нагрева-охлаждения в температурном диапазоне 20, 400^оС.

В измерительный канал ИК-спектрофотометра помещают оптический элемент из материала (например, минерала), содержащего адсорбированную и конституционную воду, и направляют на него поток ИК-излучения, регистрируя спектры пропускания и отражения. В процессе осуществления способа материал подвергают охлаждению-нагреву в области температур от температур восстановления водородных связей в адсорбированной воде до температуры выделения конституционной воды. Изменение температуры оптического элемента влечет за собой изменение его оптических характеристик (пропускания, коэффициента отражения) и соответственно интенсивности прошедшего и/или отраженного потока ИК-излучения.

Сущность заявляемого способа состоит в следующих операциях. Поток излучения пропускали через оптический элемент, содержащий адсорбированную и конституционную воду. Осуществляли предвари- тельное охлаждение материала оптического элемента до температуры выше температуры начала восстановления водородных связей в адсорбированной воде или предварительный нагрев до температуры ниже температуры начала удаления конституционной воды из материала оптического элемента. Установка начальной температуры для реализации способа определяется конкретной задачей управления потоком излучения. Воздействовали на оптический элемент физическим фактором, вызывающим охлаждение и/или нагрев оптического элемента. Охлаждение или нагрев управляемого элемента проводили в диапазоне температур ниже температур начала восстановления водородных связей в адсорбированной воде и ниже температур выделения конституционной воды. При этом наблюдали гистерезисное изменение пропускания, отражения элемента в термическом цикле в спектральных и температурных поддиапазонах, обратимое изменение пропускания, отражения элемента в других спектральных и температурных поддиапазонах. Возможности изменения продемонстрированы на конкретных примерах.

П р и м е р 1. В измерительный тракт ИК-спектрофотометра "Спекорд М 80" помещали откачанную до форвакуума криостат-приставку с закрепленным в держателе оптическим элементом в виде пластинки талька толщиной 260 мкм. На оптический элемент направляли поток ИК-излучения и регистрировали интенсивность пропущенного и отраженного потока в диапазоне частот 2500-3500 см^-1. Температуру держателя регистрировали по сопротивлению германиевого транзистора марки ГТ 322 с соединенными базой и эмиттером, имеющего в области низких температур линейную зависимость сопротивления от температуры. Сопротивление измеряли прецизионным мостом RFТ АС DC. В криостат заливали хладагент (жидкий азот) малыми порциями, последовательно охлаждая оптический элемент от комнатной температуры до температуры -180^оС. Нагрев оптического элемента до комнатной температуры проводили естественным путем после полного испарения из криостата жидкого азота. Нагрев оптического элемента до температур выше комнатной в пределах 100^оС вели путем заливки в криостат нагретой до кипения воды. Фиксации температуры достигали путем сочетания операции охлаждения и нагрева. В качестве начальных температур выбирали температуры 20 и 47^оС. В последнем случае предварительно осуществляли нагрев образца до более высокой температуры, заливая в криостат нагретую до кипения воду, затем удаляя ее, вытирая стакан криостата насухо и помещая ее в канал ИК-спектрометра.

На фиг. 1 приведены ИК-спектры талька, зарегистрированные при температуре 20^оС (кривая 1) и температуре -180^оС (кривая 2). Из приведенных спектров видно, что полосы поглощения с максимумами 2980 и 3024 см^-1 при температуре -180^оС исчезают. Была прослежена температурная зависимость полосы поглощения 3024 см^-1 в цикле охлаждения-нагрева в диапазоне температур -63, 47^оС при начальной температуре 47^оС. Данная температурная зависимость представлена прямой 3 на фиг. 2. Из этой зависимости можно сделать вывод об обратном изменении интенсивности полосы поглощения с максимумом на частоте 3024 см^-1 при изменении в указанном диапазоне.

Температурные зависимости относительного коэффициента отражения пластинки талька на частотах 3024 и 3240 см^-1 даны на фиг. 3, соответственно кривые 4, 5, демонстрирующие температурный гистерезис в температурном диапазоне -180, 20^оС. На частоте 3024 см^-1 гистерезис выражен намного слабее, чем на частоте 3240 см^-1, а на частоте 2980 см^-1 практически отсутствует.

Данный пример демонстрирует существование температурных и спектральных диапазонов обратимого и гистерезисного поведения оптических характеристик материала и доказывает расширенные технические возможности по управлению потоком излучения оптическим элементов, выполненным из талька.

П р и м е р 2. Измеряли пропускание пластинки индийской слюды мусковита толщиной 205 мкм в условиях охлаждения-нагрева. Для изменения в условиях охлаждения пластинку слюды помещали в держатель криостат-приставки, которую устанавливали в измерительный тракт ИК-спектра "Спекорд М 80" и регистрировали ИК-спектры и температуру пластинки в процессе охлаждения так же, как в примере 1. Для проведения измерений в условиях нагрева ту же пластинку помещали в держатель высокотемпературной печки, которую также устанавливали в измерительный тракт ИК-спектрофотометра "Спекорд М 80", и регистрировали ИК-спектры пластинки мусковита при нагревании, фиксируя температуру пластинки хромель-алюминиевой термопарой. В качестве начальной температуры была выбрана комнатная температура 20^оС. На фиг. 4 приведены температурные зависимости интенсивности основных спектральных полос поглощения мусковита 2550, 3050, 3325, 3450 см^-1 в области температур -180, 20^оС в термическом цикле охлаждения-нагрева, соответственно кривые 6, 7, 8, 9. Кривые 6, 7, 9 дают обратимое поведение, а кривая 8 гистерезисное. Это показывает, что тип изменения интенсивности полосы поглощения конституционной воды зависит от степени перекрытия с полосой поглощения адсорбированной воды.

Контрастные изменения в ИК-спектрах индийской слюды мусковита наблюдали в процессе нагревания до температуры 400^оС и последующего охлаждения до комнатной температуры. На фиг. 5 даны температурные изменения интенсивности полос с максимумами поглощения на частотах 3450, 3220, 3050, 2725 см^-1, соответственно кривые 10, 11, 12, 13. Характерно, что в процессе нагревания материала проявлены полосы поглощения, которые при охлаждении не наблюдали, например, 2725 и 3220 см^-1. Для расширения технологических способностей способа представляет интерес различное поглощение поляризованного света в описанных полосах поглощения.

Предлагаемый способ позволяет расширить технологические возможности управления потоком излучения за счет расширения круга материалов для изготовления управляемых оптических элементов, расширения диапазона изменения физического фактора, управляющего потоком излучения, вызывающего изменение температуры оптического элемента от температур восстановления водородных связей в адсорбированной материалом оптического элемента воде до температур удаления конституционной воды из материала оптического элемента, расширения диапазона управляемых свойств оптического элемента обратимого и гистерезисного изменения интенсивности полос поглощения, отражения в процессе охлаждения, нагрева, положительных и отрицательных температурных коэффициентов интенсивности полос поглощения, отражения, различной поляризации полос поглощения, отражения конституционной воды, расширения выбора диапазона изменения интенсивности физического фактора, спектрального диапазона управляемого излучения, выбора управляемой оптической характеристики оптического элемента для реализации многообразия свойств оптического элемента в процессе управления потоком, расширение области применения способа.

Использование: в способах управления потоком излучения преимущественно в ИК-области. Сущность изобретения: для управления потоком излучения на его пути размещают оптический элемент, содержащий адсорбированную и дополнительно конституционную воду. Изменения оптических характеристик оптического элемента получают при охлаждении и/или нагреве оптического элемента в области температур от температуры восстановления водородных связей в адсорбированной воде до температуры ниже температуры начала удаления конституционной воды из материала оптического элемента. Можно предварительно охлаждать и/или предварительно нагревать оптический элемент. Тогда изменение температуры выше температуры начала в области от температуры восстановления водородных связей в адсорбированной воде до температур удаления конституционной воды из материала оптического элемента. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ ИЗЛУЧЕНИЯ, включающий размещение на пути потока излучения оптического элемента, выполненного из материала, содержащего адсорбированную воду, и изменение свойств оптического элемента путем охлаждения и/или нагрева, отличающийся тем, что в качестве материала оптического элемента используют материал, содержащий дополнительно конституционную воду, а охлаждение и/или нагрев оптического элемента ведут в области температур от температуры восстановления водородных связей в адсорбированной воде до температуры ниже температуры удаления конституционной воды из материала оптического элемента. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проводят предварительное охлаждение или предварительный нагрев материала оптического элемента, при этом охлаждение ведут до температуры выше температуры начала восстановления водородных связей в адсорбированной воде, а нагрев до температуры ниже температуры удаления конституционной воды из материала оптического элемента.