СПОСОБ ВИЗУАЛЬНОГО НАБЛЮДЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2010 года по МПК G01J1/12 

Изобретение относится к области оптики, точнее к визуализации инфракрасного (ИК) излучения люминесцентным методом, и может использоваться для наблюдения распределения плотности мощности ИК-источников излучения в широком диапазоне плотностей мощности.

Известны люминесцентные способы преобразования ИК-излучения в видимое, основанные на свойствах некоторых веществ (люминофоров) светиться (вспышечные люминофоры) или гасить предварительно возбужденное свечение (тушащиеся люминофоры) под воздействием ИК-излучения [Изв. АН СССР, сер. физическая, т.43, №6, стр.1303-1312].

Известен способ преобразования ИК-излучения в видимое с помощью антистоксовых люминофоров (патент РФ 2263939). Этот метод имеет тот недостаток, что антистоксовы люминофоры работают только в некоторых узких областях длин волн ИК и имеют малую чувствительность, т.е. могут преобразовывать лишь большие (1 Вт/см²) плотности мощности ИК-излучения, кроме того, антистоксовы люминофоры содержат в своем составе редкие земли.

Известен способ оптического тушения предварительно возбужденного свечения люминофора под действием квантов ИК-излучения на люминофорах группы ZnS-Cu, Со (Квантовая электроника, 5, №1, стр.201-203). В этом предложении слой люминофора указанной группы предварительно возбуждался ультрафиолетовым светом, затем прекращалось возбуждение УФ, и на светящийся слой направлялось ИК-излучение, которое вызывало тушение люминесценции пропорционально плотности мощности падающего ИК-излучения.

Недостатком этого метода является его инерционность, т.к. наибольшая чувствительность люминофора к воздействию ИК появляется через несколько секунд после выключения ультрафиолетового (УФ) возбуждения, картина распределения сохраняется долго, и требуются специальные действия для стирания этой картины за несколько секунд, что исключает возможность наблюдения импульсно-периодических потоков ИК-излучения. Кроме того, этот метод позволял регистрировать плотности мощности лишь до 10-15 Вт/см² из-за разрушения люминофора.

Известен способ теплового тушения предварительно возбужденного свечения люминофора под действием тепла, выделенного в люминофорах, пропорционально плотности мощности падающего ИК-излучения [Изв. АН СССР, сер. физическая, т.43, №6, стр.1303-1312] (А.с. СССР №497867). В этом способе ИК-излучение поглощалось металлическим слоем подобранной толщины, и нагретые под действием ИК-излучения области металла передавали тепло слою люминофора группы ZnS, CdS-Ag, Ni, светящемуся под действием УФ-излучения. Это свечение под действием теплового воздействия ослаблялось (тушилось) пропорционально нагреву. Недостатком этого способа является необходимость поглощающих ИК-излучение слоев, которые и передают тепло тонкому слою люминофора, необходимость термостатирования прибора, невозможность наблюдать большие плотности мощности ИК-излучения из-за теплового разрушения люминофора, малая разрешающая способность из-за теплового «заплывания» картины распределения интенсивности ИК. Данный метод был взят в качестве прототипа.

Задачей, решаемой изобретением, является создание простого безынерционного способа визуализации ИК-излучения в широком диапазоне плотности мощности ИК-излучения от 1 мВт/см² до 10000 Вт/см² и для диапазона длин волн ИК-излучения от 0.75 мкМ до 2.0 мкМ при высокой контрастности и разрешающей способности наблюдаемой картины распределения ИК-излучения и упрощение способа за счет исключения необходимости термостатирования.

Задача решается следующим образом.

Предложено использовать свойство оптического (в отличие от ранее применяемого термического) тушения люминесценции в люминофорах группы Zns, CdS-Ag, Ni. Слой люминофора указанной группы, толщины от 0,3 мм и более, наносится на любую не поглощающую ИК-излучение плоскую поверхность, и полученный экран освещается излучением УФ-светодиода с длиной волны 360-405 нМ, с регулируемой мощностью излучения, заставляя люминофор светиться золотисто-желтым или зеленовато-желтым светом. Одновременно поток ИК-излучения также направляется на поверхность люминофора, и под действием ИК-излучения свечение экрана уменьшается (тушится) пропорционально плотности мощности ИК-излучения. Регулируя мощность излучения УФ-светодиода, в зависимости от длины волны и плотности мощности ИК-излучения, можно получить наиболее контрастную картину распределения плотности мощности ИК-излучения. При исчезновении потока ИК-излучения картина распределения тотчас исчезает. При выключении УФ-источника картина также мгновенно исчезает. Таким образом, способ позволяет проводить наблюдения ИК-излучения при постоянно включенном УФ-источнике регулируемой мощности, что дает возможность наблюдать распределение плотности мощности ИК-излучения, в том числе и в импульсных источниках ИК-излучения. Предлагаемый способ практически безынерционный. При этом способ позволяет наблюдать без разрушения экрана плотности мощности ИК-излучения от 1 мВт/см² до 10000 Вт/см². Поскольку в случае непосредственного облучения люминофора потоком ИК-излучения термического нагрева не происходит из-за весьма малого поглощения, то теплового разрушения люминофора не происходит вплоть до указанных плотностей мощности ИК-излучения. Таким образом диапазон наблюдаемых плотностей мощности ИК-излучения составляет 7 порядков. Поскольку тепловое «заплывание» отсутствует, реализуется высокий контраст и разрешение (10-30 лин/мм) наблюдаемой картины распределения.

Пример. Для иллюстрации метода нами был создан малогабаритный прибор, состоящий из экрана размером 4 на 4 см, из оргстекла, с нанесенным путем распыления (такой же результат и при осаждении из взвеси) слоем люминофора ZnS, CdS-Ag, Ni с концентрацией Ag ~ 3·10^-4, Ni ~ 3·10^-6. Экран освещался излучением светодиода с длиной волны 395-405 нМ марки EDEV-1LA1/1W emitter, UV, с регулируемой мощностью от 5 до 200 мВт в непрерывном режиме. На светящийся экран направлялось излучение различных ИК-источников: от светодиодов Kingbright с длиной волны 880 нМ и мощностью 5 мВт, до лазерных диодов «Эльфолюм» с длиной волны 1300нМ и мощностью 500 мВт, излучение которых подводилось через световод диаметром 100 мкМ. На светящемся экране появлялись темные области, соответствующие распределению плотности мощности в потоке ИК-излучения. Наиболее интенсивные потоки ИК-излучения вызывали наибольшее потемнение соответственно. Картина сразу же исчезала при выключении как ИК-излучения, так и УФ- возбуждения. Питалось все устройство от стандартного адаптера, регулятор мощности излучения светодиода находился внутри устройства.

Изобретение относится к измерительной технике. В способе предложено использовать свойство оптического тушения люминесценции в возбужденных УФ-излучением люминофорах группы ZnS, CdS-Ag, Ni при непосредственном воздействии ИК-излучения. Путем регулирования мощности УФ-излучения для каждой длины волны и плотности мощности ИК-излучения настраивается наиболее контрастная картина распределения. Техническим результатом изобретения является создание простого и безынерционного способа визуализации ИК-излучения в широком диапазоне плотности мощности ИК-излучения от 1 мВт/см² до 10000 Вт/см² и в диапазоне длин волн ИК-излучения от 0,75 мкМ до 2 мкМ при высоком контрасте наблюдаемой картины распределения ИК-излучения и высокой разрешающей способности. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ визуального наблюдения распределения плотности мощности инфракрасного излучения, включающий возбуждение ультрафиолетовым излучением люминофора группы ZnS, CdS-Ag, Ni и одновременную регистрацию тушения люминесценции под воздействием ИК-излучения, отличающийся тем, что одновременно с возбуждением ультрафиолетовым излучением воздействуют ИК-излучением непосредственно на люминофор, исключая термический нагрев и вызывая оптическое тушение люминесценции, обеспечивающее возможность наблюдения распределения плотности мощности ИК-излучения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждение люминофора осуществляют регулируемым по мощности источником УФ-излучения.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что регистрируемая плотность мощности ИК-излучения изменяется в пределах 1 мВт/см² до 10000 Вт/см².