Пристрій уніфікованої трансформації довжин хвиль

Пристрій уніфікованої трансформації довжин хвиль, що містить стандартну відбиваючу дзеркальну підсистему, який відрізняється тим, що він містить 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 під'єднаний до об'єднувача випромінювання. (19) (21) u200702285 (22) 02.03.2007 (24) 11.03.2008 (72) КОЖЕМ'ЯКО ВОЛОДИМИР ПРОКОПОВИЧ, UA, ЛИСЕНКО ГЕНАДІЙ ЛЕОНІДОВИЧ, UA, ШЕВЧЕНКО ОЛЬГА ВІКТОРІВНА, UA, ЛАРЮШКІН ЄВГЕН ПАВЛОВИЧ, UA, КОЖЕМ'ЯКО АНДРІЙ ВІКТОРОВИЧ, UA (73) ПРИВАТНЕ МАЛЕ ПІДПРИЄМСТВО "КВАНТРОН", U A (56) 3 30602 На Фіг.1 представлено схему способу побудови уніфікованої системи трансформації довжин хвиль. На Фіг.2 представлено діаграму рівнів, що пояснює процеси поглинання, спонтанного і вимушеного випромінювання. Уніфікована система трансформації довжин хвиль (Фіг.1) містить вхідне сонячне випромінювання 1, відбиваючі дзеркала 2, активний спектральний перетворювач 3, підсилювач випромінювання 4 та об'єднувач випромінювання 5. Уніфікована система трансформації довжин хвиль працює наступним чином. Сонячне світло 1, та відбите випромінювання від торичної системи дзеркал 2, потрапляє на активний спектральний перетворювач 3, який створено на основі ефекту вимушеного випромінювання в активному середовищі з інверсною заселеністю енергетичних рівнів. Після перетворення світлового спектру у необхідний діапазон, наприклад інфрачервоний (ІЧ), випромінювання поступає у підсилювач випромінювання 4, що виконано на основі сферичних дзеркал і дозволяє підсилити та направити отримане випромінювання. Після того випромінювання попадає до об'єднувача випромінювання 5, звідки отримується концентрований та напрямлений пучок променів, наприклад ІЧ випромінювання. Активний спектральний перетворювач 3 створено на основі квантової теорії випромінювання воднеподібних атомів та атомів лужних металів, що дозволяє здійснювати заселення верхніх атомних рівнів та зумовлює інверсне заселення відносно нижче розміщення енергетичних рівнів. Отримані результати застосовуються при створенні оптичних квантових генераторів -лазерів, а також пропонується застосовувати при розробці високоефективних перетворювачів видимого випромінювання в інфрачервоний діапазон. Основна ідея сучасних частотних перетворювачів випромінювання базується на резонансній оптичній накачці парів лужних металів, які є ефективними робочими середовищами для генерації видимого і ІЧ випромінювання. Крім того, спектральна трансформація відбувається у широкому діапазоні природних явищ та вирішуваних задач. Ми спостерігаємо за спектральною трансформацією під час так званого "парникового" ефекту. У промислових задачах спектральна трансформація відбувається у приладах нічного бачення, у охоронних системах 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: поглинанням, спонтанною емісією і стимулюючим випромінюванням. При розгляданні двох енергетичних рівнів Е1 і Е2, один з яких Е1 4 характеризує основний (стаціонарний), а інший Е2 - збуджений стан атома. (Фіг.2). Будь-який перехід носіїв між цими рівнями супроводжується випусканням або поглинанням кванта з частотою v12, визначуваною із співвідношення: hn 12=E2-E1 де h - стала Планка. При звичайних температурах більшість атомів знаходиться в основному стані. Ця ситуація порушується в результаті дії на систему кванта з енергією, рівною hv12. Атом в стані Е1 поглинає квант і переходить в збуджений стан Е2. Це і складає процес поглинання випромінювання. Збуджений стан є нестабільним, і через короткий проміжок часу без якої-небудь зовнішньої дії атом переходить в основний стан, випускаючи квант з енергією hv12. Цей процес називається спонтанною емісією (Фіг.2). Час життя, пов'язаний із спонтанною емісією (тобто середній час збудженого стану) може змінюватися в широкому діапазоні від 10-9 до 10-3с, залежно від параметрів напівпровідника. Спонтанне випромінювання використовується в світлодіодах. Зіткнення кванта, що володіє енергією hv12 , з атомом, що знаходиться у збудженому стані, стимулює миттєвий перехід атома в основний стан з випуском кванта з енергією hv12 і фазою, що відповідає фазі падаючого випромінювання. Цей процес називається стимульованим випромінюванням і використовується в лазерних діодах. Якщо, наприклад, розглянути детальніше процеси вимушеного випромінювання, то бачимо, що атом, який знаходиться в електромагнітному полі на збудженому енергетичному рівні, може з деякою вірогідністю перейти під дією поля в низький стан. Електромагнітне поле як би "звалює" атом із збудженого рівня вниз, на основний або менш збуджений рівень. 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 квантової точки зору 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 hv12 дво х таких же фотонів. Проте, окрім індукованого випромінювання, може відбуватися поглинання світла. В результаті поглинання фотона атомами, що знаходяться на енергетичному рівні E1 фотон зникає, і атоми переходять на енергетичний рівень Е2. Цей процес 5 30602 зменшує інтенсивність світла, що проходить крізь речовину. Поглинання світла в речовині відбувається відповідно до закону Бугера-Ламберта: J(x)=J0e xp(-ax) де a>0 - коефіцієнт поглинання, х - товщина поглинаючого шару, J0 - інтенсивність світла, що проходить в речовину, J(x) - інтенсивність світла, що пройшло крізь шар товщиною х. Для середовища з негативним поглинанням світла справедливий закон Бугера-ЛамбертаФабриканта J(x)=J0e xp(|a|x) де |a|>0 - позитивна величина, відповідна не ослабленню, а посиленню світла, що проходить через активне середовище (пропорційна різниці між числом актів поглинання і вимушеного випромінювання). Інтенсивність світла при цьому круто зростає із збільшенням товщини шару середовища. Іншими словами, коефіцієнт поглинання a для активного, підсилюючого середовища є негативною величиною. Крім того слід зазначити, що збільшення площі поверхні активного спектрального перетворювача 3 прямо пропорційно пов'язане із інтенсивністю вихідного випромінювання. Підсилювач 5 здійснює підсилення променю інфрачервоного випромінювання шляхом його об'єднання в єдиний потік та напрямленому руху. 6