СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G05D25/00 G02F1/01 

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

Известны способы управления потоком излучения путем размещения на пути потока оптического элемента и изменения его оптических свойств воздействием на элемент физического фактора. В качестве оптического элемента используют фотохромные стекла на основе титанатов или ниобатов различных металлов, соединений циркония, висмута, стронция (ЦТСЛ-керамика), аморфных полупроводников, многослойных полимерных или масляных пленок, жидких кристаллов (см. Барачевский В.А., Лашкова Г.И., Цехомский В.А. Фотохромизм и его применение. -М.: Химия, 1977), магнетооптические материалы на основе ортоферритов или феррит-гранатов. При этом управляющим физическим фактором является электрическое, магнитное или звуковое поле, ионизирующее излучение, поток ультрафиолетового или видимого излучения (А.с.СССР N 499619, кл. H 01 P 3/20, N 284603, кл. G 02 B 3/00, N 1203022, кл. G 02 B 1/08, N 731863, кл. G 02 F 1/33, пат.СССР N 320128, кл.G 02 B 5/20).

Недостатки известных способов управления потоком излучения связаны с ограничением спектрального диапазона управляемого излучения ультрафиолетом, видимой, ближней инфракрасной областью спектра, ограничением физических факторов, перечисленных выше, использованием материалов с особыми свойствами, сложными по составу, структуре, способам получения, высокими требованиями к чистоте.

Устранение указанных недостатков достигается за счет того, что в способе управления потоком излучения, включающем размещение на пути потока излучения оптического элемента, выполненного из материала, содержащего адсорбированную воду, изменение характеристик оптического элемента путем охлаждения и нагрева оптического элемента в области температур восстановления-разрушения водородных связей в адсорбированной воде, согласно изобретению оптический элемент подвергают импульсному нагреву и последующему медленному нагреву в диапазоне температур выше температуры разрушения водородных связей в адсорбированной воде. При импульсном нагреве материал оптического элемента, противодействуя резкому изменению температуры, переходит в состояние с восстановленными водородными связями, демонстрируя на стадии медленного нагрева необратимое изменение пропускания, отражения элемента с температурой в диапазоне, ранее не предназначенном для проявления оптико-температурного гистерезиса.

Заявляемый способ позволяет расширить температурный диапазон оптико-температурного гистерезиса оптического элемента, а также расширить возможности управления положением, формой, размерами петли оптико-температурного гистерезиса материала. Способ позволяет увеличить размер существующей петли оптико-температурного гистерезиса по оси температур, получить новую, более короткую и более интенсивную петлю гистерезиса при температурах, выше исходной температуры разрушения водородных связей, или последовательность таких перекрывающихся или неперекрывающихся петель в результате применения процедуры нагрева.

Заявляемый способ основан на экспериментально обнаруженном автором эффекте сохранения бистабильности состояний молекул адсорбированной воды при температурах выше температуры разрушения водородных связей в адсорбированной воде. После охлаждения оптического элемента ниже определенной температуры молекулы адсорбированной воды переходят в состояние с восстановленными водородными связями, затем после нагрева выше температуры разрушения водородных связей молекулы воды переходят в исходное состояние. Но и в этом состоянии молекулы воды как бы помнят свое прошлое состояние с восстановленными водородными связями. Вернее, оба состояния существуют одновременно, одно актуально, другое в потенции. Другими словами, состояние молекул адсорбированной воды характеризуется бистабильностью не только в диапазоне температур восстановления-разрушения водородных связей, но и при температурах выше температуры разрушения водородных связей.

Указанный эффект позволяет подобрать температурный режим оптического элемента, при котором бистабильность состояний молекул адсорбированной воды проявится и в диапазоне температур выше температуры разрушения водородных связей. Такой режим может быть вызван резким импульсным воздействием на оптический элемент, например импульсным нагревом. При этом молекулы адсорбированной воды согласно принципу Ла-Шателье, как бы сопротивляясь резкому изменению температуры, переходят в прежнее состояние с восстановленными водородными связями, характеризующееся сильным поглощением в определенных областях ИК спектра. Последующие медленные нагревы оптического элемента связаны с этим состоянием адсорбированной воды, уменьшающим пропускание, отражение оптического элемента. В фазе последующего медленного нагрева оптического элемента происходит разрушение восстановленных водородных связей адсорбированной воды, восстановление исходного пропускания, отражения элемента.

Таким образом, в данном температурном диапазоне положение петли гистерезиса, а также ее форма определяются главным образом температурой оптического элемента, при котором происходит импульсный нагрев, интенсивностью импульса. Это позволяет управлять положением, формой и параметрами петли оптико-температурного гистерезиса в диапазоне температур выше температуры разрушения водородных связей, соответствующей равновесному процессу охлаждения-нагрева оптического элемента. Так, подавая импульс в диапазоне температур разрушения водородных связей в адсорбированной воде, можно удлинить уже существующую петлю гистерезиса или получить новую короткую петлю, воздействуя на оптический элемент тепловым импульсом при температурах, выше равновесной температуры разрушения водородных связей. Полученные в импульсном режиме высокие температуры восстановления водородных связей обуславливают большее поглощение, что определяет больший размер петли оптико-температурного гистерезиса оптического элемента по оси пропускания, отражения. Наконец, используя серию тепловых импульсов, подаваемых на оптический элемент в последовательные моменты времени, можно получить в результате наложения отдельных петель оптико-температурного гистерезиса петли гистерезиса самой причудливой формы.

На фиг. 1 представлена петля оптико-температурного гистерезиса оптического элемента, выполненного из слюды мусковита: кривая 1 соответствует зависимости пропускания от температуры в процессе охлаждения элемента от температуры -100^oC до температуры -180^oC, пунктирная прямая соответствует росту поглощения при выдержке элемента в течение 10 минут при конечной температуре, кривая 2 - зависимости пропускания от температуры в процессе последующего нагрева до температуры 140^oC. При этой температуре оптический элемент был подвергнут воздействию теплового импульса. Кривая 3 отражает зависимости пропускания от температуры в процессе равновесного нагрева без учета реакции элемента на тепловой импульс, кривая 4 отражает зависимость пропускания элемента после воздействия импульса в процессе последующего медленного нагрева - реакцию элемента. Фиг. 1 демонстрирует петли оптико-температурного гистерезиса в результате воздействия на оптический элемент теплового импульса при температурах разрушения водородных связей в адсорбированной воде.

На фиг. 2 а,б представлены петли оптико-температурного гистерезиса для оптического элемента, выполненного из плоскопараллельной пластины бромида калия толщиной 4 мм. На фиг.2а дана температурная зависимость оптической плотности пропускания элемента в процессе охлаждения до температуры 110K и последующего нагрева. Петля температурного гистерезиса пропускания 5 соответствует прототипу, получена в результате медленного охлаждения и нагрева вплоть до температуры 210K. При температуре 215K на оптический элемент подан тепловой импульс, определяющий новую петлю гистерезиса 6, фиксируемую в процессе последующего медленного нагрева. Фиг.2б соответствует температурной зависимости оптической плотности пропускания этого оптического элемента в том же температурном цикле, но отличается тем, что тепловой импульс на оптический элемент подан при температуре 240K. При этом петля гистерезиса 7 соответствует прототипу, а петля гистерезиса 8 - заявленному способу.

В измерительный канал ИК спектрометра помещают оптический элемент из материала, содержащего адсорбированную воду, и направляют на него поток ИК излучения, регистрируя спектры пропускания, отражения. В процессе осуществления способа оптический элемент подвергают охлаждению и последующему нагреву, наблюдая гистерезисное изменение пропускания, отражения оптического элемента как в диапазоне температур равновесного восстановления - разрушения водородных связей, так и при температурах выше температуры разрушения водородных связей. Продемонстрируем реализацию заявленного способа с помощью примеров.

Пример 1.

В измерительный тракт ИК спектрометра "СПЕКОРД М80" помещали откачанную до форвакуума криостат-приставку (Терновой А.Н., Белашев Б.З. Криостат-приставка к ИК спектрометрам ЖПС, т.50, 1989, 158-162) с закрепленным в держателе оптическим элементом в виде пластинки слюды мусковита толщиной 50 мкм. На оптический элемент направляли поток ИК излучения и регистрировали интенсивность пропущенного излучения на частоте 3240 см^-1. Температуру держателя регистрировали по сопротивлению германиевого транзистора марки ГТ322 с соединенными базой и эмиттером, имеющим в области низких температур линейную зависимость электрического сопротивления от температуры. Сопротивление транзистора измеряли презиционным мостом RCT AC DC DIGITAL VOLTMETER. В криостат-приставку заливали хладоагент (жидкий азот) малыми порциями, последовательно охлаждая оптический элемент от комнатной температуры до температуры -180^oC. Нагрев оптического элемента до комнатной температуры проводили после полного испарения из криостата жидкого азота путем естественного нагрева. Импульсный нагрев проводили путем заливки в пустую, предварительно охлажденную криостат-приставку порции воды, взятой при комнатной или более высокой температуре. Последующее медленное повышение температуры оптического элемента проходило путем естественного нагрева. Регистрировали пропускание оптического элемента на частоте 3240 см^-1. Фиг. 1 демонстрирует температурный гистерезис пропускания. Импульсный нагрев вели при температуре T= - 140^oC, соответствующей температурам разрушения водородных связей. В результате импульсного воздействия и последующего медленного нагрева получили изменение пропускания оптического элемента, соответствующее удлинению прежней петли оптико-температурного гистерезиса, изменению ее формы. Равновесная температура разрушения водородных связей в прототипе и соответственно температура конца петли гистерезиса пропускания дает значение -127^oC, в заявленном способе температура конца петли гистерезиса составляет -117^oC. Способ позволяет удлинить петлю гистерезиса, изменить ее форму. Пример доказывает возможность заявляемого способа управлять параметрами уже существующих петель гистерезиса.

Пример 2.

Измеряли температурную зависимость пропускания оптического элемента - плоскопараллельной пластинки KBr толщиной 4 мм. Как и в предыдущем примере пластинку KBr помещали в держатель криостат-приставки, размещенной в канале ИК спектрометра "СПЕКОРД М80", и направляли на нее поток ИК излучения. Пластинку KBr охлаждали до температуры 110K, заливая в криостат-приставку малыми порциями жидкий азот. При конечной температуре элемент выдерживали 10 минут, а затем после полного испарения азота нагревали за счет естественного протока тепла к криостату. Температуру держателя с оптическим элементом измеряли как и в предыдущем примере с помощью датчика температуры - германиевого транзистора ГТ 322 с соединенными базой и эмиттером и цифрового вольтметра RFT ACDC DIGITAL VOLTMETER. В процессе охлаждения-нагрева регистрировали пропускание оптического элемента на частоте 3240 см^-1 (фиг.2 а,б). Температурная зависимость пропускания в диапазоне температур (110K, 210K) соответствует прототипу и демонстрирует характерную петлю оптико-температурного гистерезиса (петли 5, 7). При температуре 215K (Фиг.2а), выше температуры полного разрушения водородных связей в адсорбированной воде, оптический элемент подвергают импульсному нагреву, заливая в пустую криостат-приставку порцию воды комнатной температуры, а затем продолжая медленный естественный нагрев элемента. При этом появляется новая петля гистерезиса (петля 6) при температурах, ранее не принадлежащих температурному диапазону необратимости пропускания данного оптического элемента. На фиг.2б тепловой импульс на оптический элемент подаем при температуре 240K, существенно превышающей равновесную температуру разрушения водородных связей в адсорбированной воде - 210K. Новые петли гистерезиса имеют колоколообразную форму, отличающуюся большим размером по оси оптической плотности и меньшим размером по оси температур. Пример демонстрирует возможность получения петель оптико-температурного гистерезиса в диапазонах температур, ранее для этих целей не приспособленных, управления размерами и формой петель гистерезиса.

Заявляемый способ управления потоком излучения позволяет расширить технологические возможности управления потоком излучения за счет комбинации импульсного и медленного нагрева: расширить температурный диапазон гистерезиса пропускания: управлять положением, размерами, формой петли оптико-температурного гистерезиса материалов.

Способ управления потоком излучения основан на экспериментально обнаруженном эффекте сохранения бистабильности состояний молекул адсорбированной воды при температурах выше температуры разрушения водородных связей в адсорбированной воде. Для управления потоком излучения на его пути размещают оптический элемент, выполненный из материала, содержащего адсорбированную воду, и подвергают импульсному нагреву и последующему медленному нагреву в диапазоне температур выше температуры разрушения водородных связей в адсорбированной воде. Изобретение относится к способам управления потоком излучения в ИК области спектра и может быть использовано в практике создания оптических систем. Технический результат заключается в расширении температурного диапазона оптико-температурного гистерезиса оптического элемента, возможности управления положением, формой, размерами петли оптико-температурного гистерезиса материала. 2 ил.

Способ управления потоком излучения, включающий размещение на пути потока излучения оптического элемента, выполненного из материала, содержащего адсорбированную воду, изменение характеристик оптического элемента путем охлаждения и нагрева оптического элемента в области температур восстановления-разрушения водородных связей в адсорбированной воде, отличающийся тем, что оптический элемент подвергают импульсному нагреву и последующему медленному нагреву в диапазоне температур выше температуры разрушения водородных связей в адсорбированной воде.