Спосіб перетворення довжин світлових хвиль та спектральний перетворювач для його реалізації

Реферат: Винахід належить до оптико-електронних систем, квантової електроніки та світлових альтернативних джерел енергії. Винахід дозволяє підвищити ефективність перетворення спектральної енергії за рахунок використання багатошарової структури активного спектрального перетворювача із робочими речовинами з різними діапазонами ефективного поглинання вхідного випромінювання. Також у винаході досягається розширення функціональних можливостей, зокрема, керування ефективністю процесу перетворення та спектральним складом перетвореного світлового випромінювання. В запропонованому способі досягається більша стабільність роботи за рахунок відведення невикористаної частки енергії у вигляді тепла, яка негативно впливає на процес перетворення. Даний спосіб перетворення довжин світлових хвиль та спектральний перетворювач для його реалізації дозволяє здійснити UA 106327 C2 (12) UA 106327 C2 трансформацію видимого діапазону випромінювання сонячного світла у інфрачервоний спектральний діапазон, що реалізує у собі можливість створення та використання більш ефективного альтернативного джерела енергії. UA 106327 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до оптико-електронних систем, квантової електроніки та світлових джерел енергії і може знайти використання в задачах створення більш ефективних альтернативних джерел енергетичних ресурсів. Відомий спосіб перетворення сонячної енергії (Патент Росії (RU) № 2002125301/06, МПК F24J 2/00, F24J 2/42 від 2002.09.12), який містить тверді та рідкі середовища, що відділені від оточуючого середовища світлопроникним теплоізолюючим матеріалом та шаром повітря, повітря-загороджуючі засоби, вітротурбіну та повітряно-відвідну тягову трубу. Недоліком способу є неможливість використання повного потенціалу перетвореної енергії та як наслідок - низький ККД за рахунок перетворення світлової енергії у електричну із високим відсотком втрат. Крім того, заявлений спосіб має вузькі функціональні можливості за рахунок недостатності керування ефективністю перетворення та спектральним складом вихідного випромінювання. Відомий світловий електрогенератор і перетворювач світлової енергії (Патент України (UA) № 51573 А, МПК (2006) С09К 11/06 від 03.07.2002), що містить чарунку, фотоприймач і перетворювач світлової енергії. Недоліком є низька ефективність перетворення (ККД) за рахунок перетворення світлової енергії у електричну із великим відсотком втрат, а також обмежені функціональні можливості за рахунок недостатності керування процесом та ефективністю перетворення і спектральним складом. Відомий перетворювач енергії хвиль (Патент України (UA) № 62278 А, МПК F03B 13/14 (2006.01) від 24.02.2003), який містить розташовану в зоні максимальної дії хвиль відбивну стінку, вбудований в неї герметичний резервуар змінного об'єму та перетворювач енергії. Недоліком є низька ефективність (ККД) за рахунок перетворення світлової енергії у електричну та обмежені функціональні можливості за рахунок недостатності керування процесом та ефективністю перетворення і спектральним складом вихідної світлової енергії. Відома сонячна установка (Патент Росії (RU) № 2004114515/06, F24J 2/18 від 5.12.2004 р), яка містить дводзеркальну концентровану систему із головним дзеркалом із центральним отвором і доконцентратором із частково прозорим дзеркальним покриттям, фотоелектричний перетворювач сонячної енергії і систему відведення тепла від фотоелектричного перетворювача. Недоліком є низька ефективність (ККД) за рахунок перетворення світлової енергії у електричну, а також обмежені функціональні можливості за рахунок неможливістю керування ефективністю перетворення і спектральним складом світлової енергії. Відомий пристрій уніфікованої трансформації довжин хвиль (Патент України (UA) № 30602 U, МПК F24J 2/06 (2006) від 11.03.2008), який містить стандартну відбиваючу дзеркальну підсистему (в подальшому - концентратор), активний спектральний перетворювач, підсилювач випромінювання та об'єднувач випромінювання, причому сонячне світло, підсилюючись за допомогою відбиваючої дзеркальної системи, потрапляє на активний спектральний перетворювач, що з'єднаний із підсилювачем випромінювання, вихід якого підключений до об'єднувача випромінювання. Недоліками вказаного пристрою є обмежені функціональні можливості за рахунок неможливістю керування процесом, ефективністю перетворення, а також спектральним складом світлової енергії вихідного випромінювання. Окрім того в конструкції пристрою не передбачено механізму відведення неперетвореної (невикористаної) теплової енергії, що негативно впливає на стабільність його роботи. Найбільш близьким до запропонованого є спосіб уніфікованої трансформації довжин хвиль (Патент України (UA) № 33048 U, МПК F24J 1/00 (2006) від 10.06.2008, бюл. № 11), який оснований на інформаційно-енергетичному перетворенні світлового спектра і базується на акумулюванні, перетворенні та отриманні теплової енергії, як об'єкт трансформації використовуються хвилі всього спектра випромінювання, а як ефективне робоче середовище (в подальшому активний спектральний перетворювач) використовують середовище резонансної оптичної накачки парів лужних металів, де здійснюють заселення верхніх атомних рівнів, що зумовлює інверсне заселення відносно нижче розміщених енергетичних рівнів, підсилюють та об'єднують трансформоване випромінювання та отримують потрібну довжину хвилі на виході. Недоліком є порівняно низька ефективність (ККД) за рахунок перетворення тільки достатньо вузьких ділянок спектра вхідного випромінювання світлової енергії, які відповідають вузьким зонам ефективного поглинання активного робочого середовища. Крім того спосіб має обмежені функціональні можливості за рахунок неможливістю керування процесом та ефективністю перетворення, а також і спектральним складом світлової енергії. Також спосіб не передбачає 1 UA 106327 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 механізму відведення неперетвореної та невикористаної теплової енергії, що негативно впливає на стабільність його роботи. В основу винаходу поставлена задача створення способу перетворення довжин світлових хвиль та спектрального перетворювача для його реалізації, в якому за рахунок введення нових блоків, елементів та зв'язків між ними досягається можливість підвищення ефективності перетворення світлової енергії та розширення функціональних можливостей, зокрема: керування ефективністю процесу перетворення та спектральним складом перетвореного світлового випромінювання. В запропонованому способі досягається більша стабільність роботи і перетворення за рахунок відведення неперетвореної (невикористаної та неефективної) теплової енергії, яка негативно впливає на процес перетворення енергії. За рахунок відсутності стадії перетворення світлової енергії в електричну та використання багатошарової структури активного спектрального перетворювача та відповідно більшої кількості смуг ефективного поглинання, підвищується ефективність (ККД) перетворення світлової енергії у даному способі. У запропонованому способі перетворення довжин світлових хвиль та спектральному перетворювачі для його реалізації передбачається здійснення трансформації видимого діапазону випромінювання, зокрема сонячного світла, у інфрачервоний спектральний діапазон, що реалізує у собі можливість створення та використання більш ефективного альтернативного джерела енергії. Поставлена задача досягається тим, що спосіб перетворення довжин світлових хвиль та спектральний перетворювач для його реалізації, який оснований на акумулюванні, перетворенні, генерації, а також підсиленні і об'єднанні електромагнітної енергії у активному спектральному перетворювачі для отримання перетвореного випромінювання оптичного діапазону із потрібною довжиною хвилі на виході, причому перетворення здійснюється у активному спектральному перетворювачі на основі квантових процесів стимульованих переходів та створення інверсії заселеності верхніх атомних енергетичних рівнів, по відношенню до нижніх атомних енергетичних рівнів, як спектральний діапазон довжин хвиль енергії вхідного випромінювання використовуються хвилі оптичного спектра та/або іншої ділянки спектра сонячного випромінювання, а як спосіб збудження робочого середовища використовують резонансне оптичне накачування речовин на базі парів лужних металів, передбачає, що з метою підвищення ефективності перетворення спектральної енергії і розширення функціональних можливостей, як активний спектральний перетворювач використовують багатошарову структуру з N-кількістю послідовно розміщених робочих об'ємів, які наповнюють активними речовинами із різними діапазонами ефективного поглинання вхідного випромінювання, причому ці діапазоні ефективного поглинання розташовують послідовного і утворюють неперервну або дискретну, або квазінеперервну спектральну характеристику поглинання активного спектрального перетворювача, а спектральні діапазони ефективної генерації стимульованого випромінювання робочих об'ємів не значно відрізняються або є рівними і не накладаються із діапазонами ефективного поглинання вхідного випромінювання, крім того спосіб передбачає, що вихідне випромінювання активного спектрального перетворювача об'єднують за допомогою вихідної оптичної системи, окрім того, даний спосіб передбачає, що вхідне випромінювання концентрують на ефективне робоче середовище за допомогою системи рефракторних та/або рефлекторних концентраторів, чим добиваються підвищення ефективності, окрім цього, в процесі перетворення спектра електромагнітної енергії у активному спектральному перетворювачі на базі квантових механізмів генерації стимульованого випромінювання при переходах з метастабільного енергетичного атомного на нижні атомні енергетичні рівні, здійснюють керування ефективністю перетворення за рахунок управління концентрацією та/або ступенем насиченості речовин у всіх або окремих робочих об'ємах активного спектрального перетворювача, а також передбачено, що дзеркала зворотного зв'язку оптичного резонатора виконують механічно керованими в просторі у вигляді дифракційних ґраток та/або плоских дзеркал, чим реалізовують механізм управління спектром і спектральними складовими вихідного випромінювання на базі розподіленого зворотного зв'язку шляхом керування положенням дзеркал зворотного зв'язку в просторі відносно активного спектрального перетворювача, також даний спосіб передбачає, що здійснюють відведення тепла від активного спектрального перетворювача, яке утворюється при перетворенні і виникненні невикористаної енергії. Пристрій спектрального перетворювача містить концентратор, активний спектральний перетворювач, оптично з'єднаний із об'єднувачем випромінювання, а концентратор з'єднаний із активним спектральним перетворювачем, який також з'єднано об'єднувачем випромінювання, як активний спектральний перетворювач використано багатошарову структуру із набору 2 UA 106327 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 послідовно оптично з'єднаних щонайменше двох робочих камер, які наповнені парами лужних металів та/або іншими газами із різними коефіцієнтами ефективного поглинання, в пристрій також введено систему відведення тепла, яка з'єднана із активним спектральним перетворювачем, а як концентратор використовується двоелементна концентруюча система із послідовно з'єднаних головним концентруючим елементом та доконцентратором, які є оптично з'єднаними із активним спектральним перетворювачем, а оптичний вхід концентратора є оптичним входом пристрою спектрального перетворювача, крім того, також введено блок керування ефективністю перетворення, який містить резервуари та автоматичні та/або автоматизовані засоби введення активних речовин у кожний шар багатошарової структури активного спектрального перетворювача, систему відведення тепла від активного спектрального перетворювача, причому, блок керування ефективністю перетворення та система відведення тепла з'єднані із активним спектральним перетворювачем, крім того в пристрій спектрального перетворення введено оптичний резонатор, який виконаний на базі плоских дзеркал зворотного зв'язку на базі дзеркал Фабрі-Перо та/або брегівських ґраток, причому ці дзеркала є механічно керованими та з'єднаними із блоком керування оптичним резонатором, причому, оптичний резонатор оптично з'єднаний із усіма шарами багатошарової структури активного спектрального перетворювача, вихід якого з'єднано із об'єднувачем випромінювання та вихідною оптичною системою пристрою. На фіг. 1 представлено схему реалізації способу перетворення довжин світлових хвиль. На фіг. 2 представлено схему пристрою спектрального перетворювача на базі способу перетворення довжин світлових хвиль. На фіг. 3 показано діаграми атомних енергетичних рівнів матеріалу активного спектрального перетворювача при здійсненні способу перетворення довжин світлових хвиль, що пояснює процеси поглинання (а), спонтанного (б) і вимушеного (в) випромінювання. На фіг. 4 наведено модель порівняння спектральної ефективності поглинання спектрів випромінювання Сонця і ефективного поглинання при перетворенні світлової енергії видимого сонячного світла в інфрачервоний діапазон: а) одношаровою структурою активного спектрального перетворювача; б) багатошаровою структурою (N-шарів). Спосіб перетворення довжин світлових хвиль (фіг. 1) оснований на акумулюванні, перетворенні, генерації та підсиленні і об'єднанні електромагнітної енергії сонячного випромінювання, яке пройшло повітряну атмосферу і потрапилов активний спектральний перетворювач, передбачає отримання перетвореного випромінювання оптичного діапазону із потрібною довжиною хвилі на виході, причому перетворення здійснюється у активному спектральному перетворювачі на основі квантових процесів стимульованих переходів та створення інверсії заселеності верхніх атомних енергетичних рівнів по відношенню до нижніх атомних енергетичних рівнів парів лужних металів, як спектральний діапазон довжин хвиль енергії вхідного випромінювання використовується хвилі оптичного спектра сонячного випромінювання, а як спосіб збудження робочого середовища використовують резонансне оптичне накачування речовин на базі парів лужних металів, причому з метою підвищення ефективності перетворення спектральної енергії і розширення функціональних можливостей, як активний спектральний перетворювач використовують багатошарову структуру з N-кількістю послідовно розміщених робочих об'ємів із активними речовинами на основі парів лужних металів із різними діапазонами ефективного поглинання вхідного випромінювання, причому ці діапазоні ефективного поглинання розташовані послідовного і утворюють неперервну, або дискретну, або квазінеперервну спектральну характеристику поглинання активного спектрального перетворювача, а спектральні діапазони ефективної генерації стимульованого випромінювання не значно відрізняються або є рівними і не накладаються із активними діапазонами ефективного поглинання вхідного випромінювання, крім того спосіб передбачає об'єднання вихідного випромінювання активного спектрального перетворювача за допомогою вихідної оптичної системи, окрім того, даний спосіб передбачає, що вхідне випромінювання концентрують на ефективне робоче середовище за допомогою системи рефракторних та/або рефлекторних концентраторів, чим добиваються підвищення ефективності, окрім цього, в процесі перетворення спектра електромагнітної енергії у активному спектральному перетворювачі на базі квантових механізмів генерації стимульованого випромінювання при переходах з метастабільного енергетичного атомного на нижні атомні енергетичні рівні, передбачене керування ефективністю перетворення за рахунок управління концентрацією та/або ступенем насиченості парів лужних металів у всіх та/або окремих робочих камерах активного спектрального перетворювача, а також передбачено, що дзеркала зворотного зв'язку резонатора виконані у вигляді дифракційних ґраток та/або плоских дзеркал і є механічно керованими в просторі, що реалізовує механізм управління спектром і спектральними 3 UA 106327 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 складовими вихідного випромінювання на базі розподіленого зворотного зв'язку шляхом керування їх положенням в просторі відносно активного спектрального перетворювача, також даний спосіб передбачає, що здійснюють відведення тепла від активного спектрального перетворювача, яке утворюється при перетворення і виникненні невикористаної енергії. Пристрій спектрального перетворювача містить концентратор 1 із головним концентруючим елементом 2 та доконцентратором 3, активний спектральний перетворювач 4 на базі багатошарової структури із набору послідовно оптично з'єднаних робочих камер 5. Пристрій також містить систему відведення тепла 6, блок керування ефективністю перетворення 7, який містить резервуари 8 та засоби введення 9 активних речовин, оптичний резонатор 10, блок керування оптичним резонатором 11, об'єднувач випромінювання 12 та вихідну оптичну систему пристрою 13, який є виходом 14 інфрачервоного (14) випромінювання із пристрою. Вхід концентратора 1 є а оптичним входом 15 пристрою спектрального перетворювача. Причому, концентратор 1 оптично з'єднаний з активним спектральним перетворювачем 4, який також оптично з'єднано із об'єднувачем випромінювання 12. В складі активного спектрального перетворювача 4 є робочі камери 5 багатошарової структури, які послідовно оптично з'єднані і наповнені активними робочими речовинами. Система відведення тепла 6 з'єднана із активним спектральним перетворювачем 4, а в концентраторі 1 на базі двоелементної концентруючої системи головний концентруючий елемент 2 оптично з'єднаний із до концентратором 3 та із активним спектральним перетворювачем 4. Крім того, блок керування ефективністю перетворення 7 з'єднаний із активним спектральним перетворювачем 4, усі робочі камери 5 багатошарової структури якого також оптично з'єднані із оптичним резонатором 10, який з'єднаний із блоком керування оптичним резонатором 11. Активний спектральний перетворювач 4 оптично з'єднано із об'єднувачем випромінювання 12 та вихідною оптичною системою пристрою 13, яка формує вихід 14 інфрачервоного (14) випромінювання. Вхід концентратора 1 з'єднано із оптичним входом 15 пристрою спектрального перетворювача. Пристрій спектрального перетворювача (фіг. 2) працює наступним чином. Сонячне випромінювання і космічні промені з різними довжинами хвиль (  j   j1.. jn ) розповсюджуються у просторі і проходять через земну атмосферу, де частково поглинаються і потрапляють на концентратор 1. Спочатку випромінювання потрапляє на головний концентруючий елемент 2, який має порівняно більшу активну площу. Головний концентруючий елемент 2 зводить (концентрує) оптичне випромінювання згідно законів і принципів геометричної оптики на доконцентратор 3, який має меншу активну площу поверхні і додатково концентрує вхідне випромінювання із концентруючого елемента 2. Таким чином відбувається концентрація сонячного випромінювання на меншу робочу площу та відповідно забезпечується підвищення його інтенсивності. Після чого концентроване вхідне сонячне випромінювання потрапляє на активний спектральний перетворювач 4, де рівномірно розподіляється у багатошаровій структурі із набору послідовно оптично з'єднаних робочих камер 5, які наповнені парами лужних металів, які використовуються як робочі речовини. Можуть використовуватись пари цезію Cs, натрію Na, калію К, францію Fr або літію Li, наповнені домішками інших речовин з метою отримання необхідних спектрів поглинання-випромінювання. Активний спектральний перетворювач 4 на базі послідовно розміщених робочих камер 5 з парами активних речовин функціонує на основі ефекту вимушеного (стимульованого) випромінювання квантів в активному середовищі з інверсною заселеністю атомних енергетичних рівнів. Після оптичного накачування активних речовин в робочих камерах 5 та створення інверсії заселеності верхніх атомних енергетичних рівнів, відбувається стимульовані (вимушені) переходи електронів на нижні атомні енергетичні рівні квантової системи відповідної робочої речовини в кожній із робочих камер 5. Оскільки, всі робочі камери 5 поміщено і оптично з'єднано із оптичним резонатором 10 на базі дзеркал зворотного зв'язку, то реалізовується позитивний оптичний зворотній зв'язок (по аналогії із принципом роботи лазерних випромінювачів) і відбувається стимульована генерація і підсилення випромінювання на іншій частоті (відповідно і довжини хвилі). Таким чином здійснюється спектральне перетворення довжин світлових хвиль у необхідний діапазон світлового спектра, зокрема в інфрачервоний (ІЧ) діапазон. Зокрема, при використанні атомів парів лужних металів як робочого середовища відбувається перетворення більшої частини світлової енергії в інфрачервоний діапазон (ІЧ) випромінювання. Активний спектральний перетворювач 4 створено на основі запропонованого способу перетворення довжин світлових хвиль на базі квантової теорії випромінювання воднеподібних атомів та атомів лужних металів, що передбачає стимульоване випромінювання і підсилення світла при позитивному оптичному зворотному зв'язку в активних речовинах - парах лужних 4 UA 106327 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 металів, якими заповнені робочі камери 5 активного спектрального перетворювача 4. Реалізація заселення верхніх атомних енергетичних рівнів (рис. 3) та інверсне заселення на метастабільному рівні (рис. 3) відносно нижче розміщених енергетичних рівнів здійснює вимушену генерацію світлових хвиль на нових частотах (довжинах хвиль) переважно за стоковим законом: довжини хвиль перетвореного випромінювання будуть більшими за випромінювання, яким збуджують активну речовину. Результати квантової теорії тривалий час ефективно застосовуються при створенні оптичних квантових генераторів світлового діапазону - лазерів, із різними типами робочих речовин. Запропонований спосіб передбачає використання багатошарової структури активного спектрального перетворювача 4 із набору робочих камер 5 із різними діапазонами ефективного поглинання вхідного сонячного випромінювання, які розташовані послідовного і можуть утворювати неперервну, дискретну, або квазінеперервну спектральну характеристику поглинання активного спектрального перетворювача 4. Останній генерує перетворене стимульоване випромінювання у вузькому спектральному діапазоні ефективної генерації, або у близько розташованих декількох діапазонах довжин хвиль, які не значно відрізняються або є рівними. Ці діапазони випромінювання (кожної з робочих камер 5) активного спектрального перетворювача 4 і не накладаються із активними діапазонами ефективного поглинання вхідного випромінювання. Результати квантової теорії стимульованого випромінювання воднеподібних атомів та атомів лужних металів пропонується застосовувати при розробці високоефективних перетворювачів видимого випромінювання в інфрачервоний діапазон, на базі запропонованого способу. Основна ідея сучасних частотних перетворювачів світлового випромінювання базується на резонансній оптичній накачці твердотілих і напівпровідникових матеріалів, а також деяких речовин і газів, які є ефективними робочими середовищами для генерації видимого і 14 випромінювання. Крім того, спектральне перетворення відбувається у широкому діапазоні природних явищ та вирішуваних задач. Наприклад, ефект спектрального перетворення можна спостерігати під час ефектів люмінесценції та появи нових кольорів у багатьох природних явищах. У промислових задачах спектральне перетворення використовується у пристроях нічного бачення, охоронних системах, камерах відео спостереження, твердотільних лазерах з діодною оптичною накачкою DPSS (Diode Pumped Solid State) та ін. Як відомо із квантової теорії випромінювання воднеподібних атомів та атомів лужних металів, процес переходу середовища в інверсний стан називається накачуванням підсилюючого середовища. Цей процес можна розглянути на прикладі роботи напівпровідникового лазерного діода, який пов'язаний з трьома основними процесами, обумовленими переходами носіїв: ефективним поглинанням, спонтанною емісією і стимульованим випромінюванням. При розгляді двох атомних енергетичних рівнів E1 та E 2 , один з яких E1 характеризує основний (стаціонарний), а інший E 2 - збуджений стан атома (фіг. 3), будь-який перехід носіїв супроводжується випусканням або поглинанням кванта з частотою v12 , визначуваною із співвідношення: h12  E2  E1 45 де h - стала Планка; E1 , E 2 - енергія носія в атомі на відповідному рівні. При звичайних (кімнатних) температурах (Т~300К) більшість атомів знаходиться в основному стані (стані 1). Ця ситуація змінюється в результаті дії на систему кванта з енергією E12 , яка рівна h12 . Електрон в атомі в стані E1 поглинає квант і переходить в збуджений стан E 2 . Це відповідає процесу ефективного поглинання випромінювання. 50 55 Збуджений стан є нестабільним, і через деякий короткий період часу без зовнішньої дії, електрон в атомі переходить в основний стан, випускаючи квант з енергією h12 . Цей процес називається спонтанною емісією, або спонтанним випромінюванням (фіг. 3). Час життя електронів в атомах у збудженому стані  , пов'язаний із спонтанною емісією (середній час збудженого стану) може змінюватися в широкому діапазоні від   109 до   103 с, залежно від параметрів активного середовища. Для більшості речовин і газів час життя атомів в збудженому стані складає   108 с. Спонтанне випромінювання використовується в світлодіодах і інших традиційних джерелах світла. Зіткнення кванта, що володіє енергією h12 , з атомом, що знаходиться у збудженому стані, стимулює миттєвий перехід електрона цього атома в основний стан з випуском кванта з енергією h12 і фазою 12 , що відповідає фазі падаючого випромінювання. Цей процес 5 UA 106327 C2 5 10 15 20 називається стимульованим випромінюванням і використовується в лазерних діодах, а також лазерах інших типів. Якщо розглянути детальніше процеси вимушеного випромінювання, то можна спостерігати, що електрон, який знаходиться в електромагнітному полі на збудженому атомному енергетичному рівні, може з деякою вірогідністю перейти під дією поля в низький (основний) стан. Електромагнітне поле немов "звалює" електрон із збудженого атомного енергетичного рівня на основний або менш збуджений рівень (див. фіг. 3). Такий перехід супроводжується вимушеним індукованим, (стимульованим) випромінюванням речовини, викликаною дією на нього електромагнітної хвилі. Явище вимушеного випромінювання з погляду хвильової оптики означає, що при проходженні електромагнітної хвилі крізь речовину її інтенсивність збільшується, тобто відбувається негативне поглинання світла (негативна абсорбція світла). При цьому зберігаються незмінними частота хвилі, напрям її розповсюдження і поляризація. З точки зору квантової теорії стимульованого випромінювання, когерентність вимушеного випромінювання означає, що новий фотон, що з'явився в результаті акту вимушеного випромінювання, нічим не відрізняється від фотона, що викликав його появу. Новий фотон, що з'явився в результаті індукованого випромінювання, посилює світло, що проходить в середовищі. Процес вимушеного випромінювання приводить до появи замість одного фотона з енергією h12 двох і більше таких же фотонів. Проте, окрім індукованого випромінювання, може відбуватися поглинання світла. В результаті поглинання фотона атомами, що знаходяться на енергетичному рівні E 1 фотон зникає, і атоми переходять на енергетичний рівень E 2 . Цей процес зменшує інтенсивність світла, що проходить крізь речовину. Поглинання світла в речовині відбувається відповідно до закону Бугера-Ламберта: J( x)  J0 exp(x) , 25 30 35 40 45 50 де   0 - коефіцієнт поглинання; x - товщина поглинаючого шару; J 0 - інтенсивність світла, що проходить в речовину; J(x) - інтенсивність світла, що пройшло крізь шар товщиною x . Для середовища з негативним поглинанням світла справедливий закон Бугера-ЛамбертаФабриканта: J( x )  J0 exp(  x ) , де  0 - позитивна величина, відповідна не ослабленню, а посиленню світла, що проходить через активне середовище. Цей показник пропорційний різниці між числом актів поглинання і вимушеного випромінювання. Інтенсивність світла при цьому круто зростає із збільшенням товщини шару середовища. Іншими словами, коефіцієнт поглинання а для активного, підсилюючого середовища є негативною величиною. Тому збільшення площі поверхні активного спектрального перетворювача 4 прямо пропорційне збільшенню інтенсивністю вихідного випромінювання пристрою. При численних проходження вимушеного випромінювання в робочому об'ємі активного спектрального перетворювача 4 здійснюється оптично накачування активних речовин - парів лужних металів в робочих камерах 5 вхідним випромінюванням. В результаті цих проходжень між дзеркалами зворотного зв'язку оптичного резонатора 10 відбувається багатократне підсилення і генерація вихідного стимульованого випромінювання від кожної робочої камери 5, які поміщені в оптичний резонатор 10. Цим пояснюється квантова природа перетворення спектрального складу світлового випромінювання. Багатошарова структура активного спектрального перетворювача 4 із набору послідовно розміщених робочих камер 5 дозволяє здійснити більш ефективне поглинання вхідного випромінювання оптичної накачки у різних спектральних діапазонах (фіг. 4). Так як сонячне випромінювання та світлове випромінювання більшості традиційних має широкий спектр, а смуги ефективного поглинання квантових лазерних, активних речовин, які також використовуються для побудови спектрального перетворювача є достатньо вузькими ( j ~ 2...30 нм) , то для ефективного перетворення в інший спектральний діапазон (в даному випадку в ІЧ - в випромінювання), високу ефективність конверсії традиційними однокамерними структурами реалізувати не можливо. Це пояснюється тим, що із всього широкого світлового спектра вхідного випромінювання, ефективно поглинатися буде лише та його ділянка   j , що 55 відповідає смузі поглинання активної робочої речовини перетворювача. Енергія інших діапазонів світлового спектра вхідного випромінювання буде поглинена кристалічною ґраткою (у випадку твердого тіла) або шарами атомів чи молекул речовин та перетворена у теплову 6 UA 106327 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 енергію (джоулеве тепло). Таким чином енергія цих діапазонів спектра вхідного випромінювання буде використана неефективно, а робота виконана на це піде на підвищення температури Т речовини в робочому об'ємі спектрального перетворювача. Для вирішення цієї задачі і підвищення ефективності (ККД) перетворення світлової енергії пропонується використовувати багатошарову структуру активного спектрального перетворювача 4, яка складається із набору робочих камер 5, наповнених парами робочих речовин (цезію Cs, натрію Na, калію К, францію Fr, літію Li або домішками інших речовин). У випадку, якщо діапазони ефективного поглинання (таке поглинання, при якому енергія випромінювання накачки вхідного випромінювання в більшій мірі переходить в перетворене вихідне випромінювання) робочих камер 5 розташовані послідовно і утворюють неперервну або дискретно-неперервну (дискретну, квазінеперервну) спектральну характеристику активного спектрального перетворювача 4, досягається можливість в більшій мірі ефективно використати енергію вхідного випромінювання. Послідовно розміщені діапазони ефективного поглинання дозволяють використати окремі ділянки спектра вхідного випромінювання на ефективне накачування робочих речовин - парів лужних металів, які будуть пере випромінювати електромагнітну енергію на іншій довжині хвилі ІЧ -випромінювання. Таким чином, в багатошаровій структурі активного спектрального перетворювача 4 досягається більший відсоток утилізації енергії вхідного випромінювання на перетворення в інший діапазон спектра (ІЧ-діапазон), на відміну від одношарової структури, де крім вузького діапазону (спектральної смуги) ефективного поглинання, енергія інших діапазонів вхідного випромінювання витрачається на нагрівання робочої речовини. При такій організації структури із набору послідовно розміщених робочих камер 5 активного спектрального перетворювача 4 (див. фіг. 2), важливо, щоб довжини хвиль та відповідно спектральні діапазони перетвореного випромінювання речовин в робочих камерах 5 співпадали або були вузько розташовані. Тоді енергія перетвореного випромінювання буде сконцентрована в на одній довжині хвилі або у дуже вузькі спектральній смузі. В такому випадку, вихідне світлове випромінювання буде монохроматичним або квазімонохроматичним. Можливо й досягнення смугастої спектральної структури вихідного випромінювання, коли перетворення буде відбуватись не на одній довжині хвилі, а відразу на декількох, може мати практичну цінність і перспективи використання для багатьох технічних задач при використання пристроїв перетворення довжин хвиль. Систему відведення тепла 6, що з'єднана з активним спектральним перетворювачем 4 здійснює відведення "паразитної" теплової енергії, яка утворюється в результаті перетворення енергії вхідного світлового випромінювання в 14 випромінювання. Нагрівання активних речовин і парів лужних металів у робочих камерах 5 активного спектрального перетворювача 4 негативно впливає на процес перетворення у вигляді зниження квантового виходу. Тому використання системи відведення тепла 6 необхідне для забезпечення стабільності і високих значень ефективності перетворення енергії світлового потоку. В пристрої передбачено керування ефективністю перетворення шляхом управління квантовим виходом. Це дозволяє розширити функціональні можливості та реалізує функцію керування вихідною оптичною потужністю, що робить пристрій гнучким для багатьох застосувань, де необхідна варіація вхідної оптичної потужності. Оптичний квантовий вихід стимульованого випромінювання в результаті перетворення залежить від концентрації активної речовини в робочих камерах 5. Якщо підсилення активного середовища достатньо велике, то оптична потужність перетвореного світлового випромінювання в центральній зоні активного спектрального перетворювача випромінюється в тілесний кут   D2 / 4l2 , де D - робочий діаметр; l - довжина активного спектрального перетворювача. У випадку, якщо оптична система активного спектрального перетворювача 4 має одне кругле торцеве дзеркало, то тілесний кут вихідного випромінювання буде визначатись згідно формули   D2 / 16l2 . Повна потужність випромінювання, яке утворилось в результаті перетворення всіма атомами робочих сумішей парів лужних металів на виході спектрального перетворювача визначається формулою:  h0 P    0 спонт 3  S (exp(0N2L)  1) 2   4  N L exp( N L) ,  0 2 0 2 де величина  0 - піковий переріз переходу, величина, яка визначає умови створення інверсії заселеності верхніх атомних енергетичних рівнів, 0  W0 F ; 7 UA 106327 C2 S D2 4 - площа поперечного перерізу активного спектрального перетворювача 4; L довжина останнього; h0 - енергія кванта вихідного (перетвореного) випромінювання на центральній частоті  0 із довжиною хвилі 0  c  ; спонт - час релаксації (життя) спонтанних 0 5 10 15 20 переходів, спонт ~ 103  108 ; N 2 - інверсія населеності на цьому рівні. Коефіцієнт G квантового підсилення матеріалу в робочих камерах 5 активного спектрального перетворювача 4 в процесі роботи, буде тим більшим, чим більша довжина активного спектрального перетворювача і інтенсивність перетворених світлових хвиль на виході, згідно закону Бугера-Ламберта-Фабриканта: J  J0 exp(GL) . Коефіцієнт G показує в скільки разів відбулось підсилення перетворення стимульованого випромінювання в активному спектральному перетворювачі 4, та за експотенційним законом показує, що на відстані L  1/ G , амплітуда світла збільшиться e=2.71 разів. Активні речовини суміші парів лужних металів в робочих камерах 5 тим ефективніші (більший коефіцієнт), чим більша кількість квантових часток знаходиться і інверсному рівні N 2 . Повна кількість квантових часток (електронів), яка знаходиться в квантовій енергетичній системі рівна Nt  N1  N2 . У незбудженому стані в умовах термодинамічної рівноваги, переважна їх більшість знаходиться в початковому стані N1(Nt  N1) , у стані ж створеної інверсії заселеності переважна більшість квантових частинок знаходяться в стані N2(Nt  N2 ) . Звідси випливає, що повна кількість N t частинок квантової системи, так як і N 2 , впливає на величину вихідної потужності P активного спектрального перетвоювача 4 і на повний квантовий вихід пристрою спектральної трансформації довжин світлових хвиль, який описується відношенням вхідної Pin і вихідної потужностей P світлового випромінювання: P  P P . in Коефіцієнт підсилення активного спектрального перетворювача 4 можна визначити за формулою квантового підсилення із врахуванням дипольного моменту квантового переходу 25 Dmn 2 між атомними енергетичними рівнями m та n : G 162 0 2 N2 Dmn . he 0 Ефективність (ККД) перетворення енергії світлового потоку при цьому визначається величиною зовнішнього квантового виходу і складає: P  Wp NgVhp P , де V - робочий об'єм активного спектрального перетворювача 4;  p - різниця оптичних 30 частот між верхнім та нижнім рівнями квантової системи; Ng - різниця населеності верхнього та нижнього рівнів квантової системи при генерації світлового випромінювання. Вихідна потужність на вихідному дзеркалі резонатора може бути визначена по формулі P2  35 40 45 Va (Nt  N1)hp   2   ( X  1) . Оскільки, ефективність генерації стимульованого випромінювання і  2p  2спонт   перетворення залежить від повної кількості носіїв N t квантової системи, то вона також залежить і від концентрації речовини, оскільки концентрація С пропорційна кількості атомів (відповідно і квантових часток), величині робочого об'єму робочих камер 5, густині парів лужних металів, тобто C ~ NtNV . Тому, змінюючи концентрацію С парів лужних металів в робочих камерах 5 активного спектрального перетворювача 4, можна змінювати параметри підсилення G та ефективності  P (ККД) та квантового виходу квантового виходу  P . Тобто, на виході пристрою спектрального перетворювача який формується із вихідного випромінювання активного спектрального перетворювача 4 змінюючи концентрацію С можливо змінювати вихідну потужність Р перетвореного світлового випромінювання. Керування ефективністю перетворення (управління квантовим виходом) світлового спектра здійснюється шляхом керування концентрацією та вмістом активних речовин у робочих камерах 5 активного спектрального перетворювача 4. Блок керування ефективністю перетворення 7, який містить резервуари 8 та засоби введення 9 активних речовин здійснює автоматичний або автоматизований (в залежності від вибраного режиму роботи або конструкції самого блоку 8 UA 106327 C2 5 10 15 20 25 30 керування ефективністю перетворення 7) впуск робочої речовини в кожну окрему робочу камеру 5 або у всі робочі камери 5 одночасно. При цьому концентрація робочих речовин - парів лужних металів зростає, а квантовий вихід відповідної робочої камери 5 підвищується. У випадку групового впуску у всі робочі камери 5 одночасно - відбувається рівномірне зростання квантового виходу у всьому об'ємі активного спектрального перетворювача і підвищення вихідної потужності і ефективності пристрою спектрального перетворювача в цілому. При введенні активних речовин в робочі камери 5 здійснюється підвищення тиску парів лужних металів в останніх. Блок керування ефективністю перетворення 7 виконує введення активних речовин - парів лужних металів із резервуарів 8, в яких містяться їх запаси, необхідні для тривалої роботи пристрою спектрального перетворювача. Керування введенням здійснюється за допомогою засобів введення 9 активних речовин, які по суті містять в своєму складі канальні насоси або компресори та впускні і випускні механічні або електромеханічні вентилі або тригери, що дозволяють здійснювати керований зв'язок внутрішніх об'ємів резервуарів 8 та робочих камер 5 активного спектрального перетворювача 4. Також може здійснюватись зворотній процес - зменшення концентрації активних речовин в робочих камерах 5 активного спектрального перетворювача 4, за рахунок зменшення концентрації і внутрішнього тиску робочих речовин - парів лужних металів в цих камерах. Блок керування ефективністю перетворення 7 виконує виведення парів лужних металів із робочих камер 5 у резервуари 8. В такому випадку концентрація парів лужних металів спадає і спадає квантовий вихід кожної з робочих камер 5 або всіх одночасно активного спектрального перетворювача 4. Вихідна оптична потужність пристрою спектрального перетворювача при цьому спадає. В пристрої спектрального перетворювача передбачено також розширення функціональних можливостей і сфери застосувань за рахунок можливості керування спектральним складом вихідного випромінювання у встановлених межах. Це здійснюється за допомогою керуванням в просторі дзеркал зворотного зв'язку оптичного резонатора 10, які виконані у вигляді дифракційних ґраток або плоских дзеркал. Механічне керування в просторі у вигляді повороту та зміщення на заданий кут здійснюється за допомогою механічно підключеного до оптичного резонатора 10 блока керування оптичним резонатором 11, який може по черзі змінювати кут кожного з дзеркал зворотного зв'язку оптичного резонатора 10. Це реалізовує механізм управління спектром на базі розподіленого зворотного зв'язку у деяких встановлених межах  j . Спектр вихідного випромінювання залежить від кута повороту дзеркала оптичного резонатора 10, що виконано у вигляді дифракційної ґратки, і описується залежністю: 35 40 45 50 55  2 (n  n )L  2Ld ,  0 e  e   де  - основна довжина хвилі;  - зміна довжини хвилі; d - період ґратки; L - товщина оптичної пластини дзеркала, яке змінює свою орієнтацію в просторі;  - кут нахилу дзеркала по відношенню до оптичної осі n 0 активного спектрального перетворювача 4; ne - оптична вісь дзеркала, яке змінює своє положення в просторі. Після перетворення у активному спектральному перетворювачі 4 та підсилення в оптичному резонаторі 10 вихідне випромінювання інфрачервоного (ІЧ) діапазону виходить із основного дзеркала розподіленого зворотного зв'язку оптичного резонатора 10 і направляється в об'єднувач випромінювання 12, який об'єднує в просторі випромінювання від окремих робочих камер 5, що входять до складу активного спектрального перетворювача 4. Це необхідно для підвищення якості хвильового фронту і інтенсивності вихідного випромінювання. Об'єднувач випромінювання 12 здійснює зведення в просторі окремих структурних частин електромагнітної енергії, концентрує та направляє вихідне випромінювання з перетвореним спектральним складом до вихідної оптичної системи пристрою 13. Остання здійснює остаточне коректування хвильового фронту вихідного випромінювання, в залежності від сфери використання пристрою спектрального перетворювача і потреб технічної задачі. Вихідна оптична система 13 може сформувати як плоский хвильовий фронт і паралельний пучок вихідного випромінювання, так і опуклий хвильовий фронт та сконцентрований або розведений пучок вихідного випромінювання. Перше може мати практичне застосування в задачах передавання та подачі світлової енергії відкритим оптичним каналом паралельним світловим пучком, а друге - в задачах використання суміжно з волоконно-оптичними трактами та волоконними системами доставки випромінювання. Вихід оптичної системи 13 є виходом 14 перетвореного оптичного випромінювання інфрачервоного (ІЧ) діапазону, пучок якого формується пристроєм спектрального 9 UA 106327 C2 перетворювача. А вхідне оптичне випромінювання, яким здійснюється накачування парів лужних металів в робочих камерах 5 активного спектрального перетворювача 4 подається на вхід концентратора 1, який є оптичним входом 15 пристрою спектрального перетворювача. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб перетворення довжин світлових хвиль, який оснований на акумулюванні, перетворенні, генерації, а також підсиленні і об'єднанні електромагнітної енергії у активному спектральному перетворювачі для отримання перетвореного випромінювання оптичного діапазону із потрібною довжиною хвилі на виході, причому перетворення здійснюється у активному спектральному перетворювачі на основі квантових процесів стимульованих переходів та створення інверсії заселеності верхніх атомних енергетичних рівнів, по відношенню до нижніх атомних енергетичних рівнів, як спектральний діапазон довжин хвиль енергії вхідного випромінювання використовуються хвилі оптичного спектра та/або іншої ділянки спектра сонячного випромінювання, а як спосіб збудження робочого середовища використовують резонансне оптичне накачування речовин, який відрізняється тим, що для підвищення ефективності перетворення спектральної енергії і розширення функціональних можливостей як активний спектральний перетворювач використовують багатошарову структуру з N-кількістю послідовно розміщених робочих об'ємів, які наповнюють активними речовинами із різними діапазонами ефективного поглинання вхідного випромінювання, причому ці діапазоні ефективного поглинання розташовують послідовного і утворюють неперервну або дискретну, або квазінеперервну спектральну характеристику поглинання активного спектрального перетворювача, спектральні діапазони ефективної генерації стимульованого випромінювання робочих об'ємів не значно відрізняються або є рівними і не накладаються із діапазонами ефективного поглинання вхідного випромінювання, вихідне випромінювання активного спектрального перетворювача об'єднують за допомогою вихідної оптичної системи, крім того, вхідне випромінювання концентрують на ефективне робоче середовище за допомогою системи рефракторних та/або рефлекторних концентраторів, для підвищення ефективності, при перетворенні спектра електромагнітної енергії у активному спектральному перетворювачі на базі квантових механізмів генерації стимульованого випромінювання при переходах з метастабільного енергетичного атомного на нижні атомні енергетичні рівні здійснюють керування ефективністю перетворення за рахунок управління концентрацією та/або ступенем насиченості речовин в усіх або в окремих робочих об'ємах активного спектрального перетворювача, при цьому дзеркала зворотного зв'язку оптичного резонатора виконують механічно керованими в просторі у вигляді дифракційних ґраток та/або плоских дзеркал, для реалізовування механізму управління спектром і спектральними складовими вихідного випромінювання на базі розподіленого зворотного зв'язку шляхом керування положенням дзеркал зворотного зв'язку в просторі відносно активного спектрального перетворювача, здійснюють відведення тепла від активного спектрального перетворювача, яке утворюється при перетворенні і виникненні невикористаної енергії. 2. Спектральний перетворювач, що містить концентратор, активний спектральний перетворювач, оптично з'єднаний із об'єднувачем випромінювання, а концентратор з'єднаний із активним спектральним перетворювачем, який також з'єднано об'єднувачем випромінювання, який відрізняється тим, що як активний спектральний перетворювач використано багатошарову структуру із набору послідовно оптично з'єднаних щонайменше двох робочих камер, які наповнені парами лужних металів та/або іншими газами із різними коефіцієнтами ефективного поглинання, в пристрій також введено систему відведення тепла, яка з'єднана із активним спектральним перетворювачем, а як концентратор використовують двоелементну концентруючу систему із послідовно з'єднаних головним концентруючим елементом та доконцентратором, які є оптично з'єднаними із активним спектральним перетворювачем, а оптичний вхід концентратора є оптичним входом пристрою спектрального перетворювача, крім того, також введено блок керування ефективністю перетворення, який містить резервуари та автоматичні та/або автоматизовані засоби введення активних речовин у кожний шар багатошарової структури активного спектрального перетворювача, систему відведення тепла від активного спектрального перетворювача, причому блок керування ефективністю перетворення та система відведення тепла з'єднані із активним спектральним перетворювачем, крім того, в пристрій спектрального перетворення введено оптичний резонатор, який виконаний на базі плоских дзеркал зворотного зв'язку на базі дзеркал Фабрі-Перо та/або брегівських ґраток, причому ці дзеркала є механічно керованими та з'єднаними із блоком керування оптичним резонатором, причому, оптичний резонатор оптично з'єднаний із усіма шарами 10 UA 106327 C2 багатошарової структури активного спектрального перетворювача, вихід якого з'єднано із об'єднувачем випромінювання та вихідною оптичною системою пристрою. Фіг.1 Фіг.2 11 UA 106327 C2 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 12