×
16.08.2019
219.017.c062

Результат интеллектуальной деятельности: ФОТОВОЗБУЖДАЕМЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к области измерительной техники и касается фотовозбуждаемого лазерного интегрально-оптического сенсора. Сенсор состоит из источника возбуждения, прозрачной подложки, тонкопленочной лазерно-активной среды, чувствительного слоя, оптических элементов вывода излучения. При этом сенсор включает в себя дополнительный слой и два распределенных брэгговских отражателя. Чувствительный слой представляет собой пленку полиметилметакрилата, допированную химическим веществом, чувствительным к аналиту с эффектом появления спектральной полосы поглощения в нем при взаимодействии с аналитом. Чувствительный слой нанесен на поверхность тонкопленочной лазерно-активной среды на основе полиметилметакрилата и составляет с ней одно целое с одним коэффициентом преломления. Лазерно-активная среда представляет собой тонкопленочную структуру из полиметилметакрилата, допированную лазерным красителем с низким порогом возбуждения и имеющую спектральную линию генерации, совпадающую с полосой поглощения чувствительного слоя. Технический результат заключается в увеличении чувствительности, уменьшении уровня накачки, понижении порога генерации, расширении ряда детектируемых химических соединений, снижении требований к качеству возбуждающего излучения и упрощении настройки устройства. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области оптики, в частности интегрально-оптическим датчикам.

Сенсоры (датчики) позволяют собирать, фиксировать, обрабатывать и передавать информацию относительно состояния физических систем. Принципы их действия основываются на различных физических и химических явлениях. Среди множества различных датчиков в последнее время все большее распространение получают так называемые интегрально-оптические химические сенсоры. В них в свою очередь используются также различные принципы: абсорбционные, люминесцентные и др. Приборы такого типа предназначены определять наличие и идентифицировать химические соединения в окружающей среде.

Известно устройство интегрального оптического волноводного химического сенсора, состоящее из He-Ne лазера, оптического волновода (пленка), покровного слоя (воздух), подложки, устройства ввода и вывода лазерного излучения [1]. Волноводная мода распространяется по волноводу от устройства ввода до устройства вывода. Оптическое зондирующее излучения используется от внешнего He-Ne лазера. Длина волновода может варьироваться от нескольких миллиметров до нескольких метров. Излучение, введенное в волновод с помощью призменных вводов, распространяется по нему и, частично проникая в воздух, в присутствии аналита на выходе из призмы наблюдается уменьшение интенсивности сигнала, которое регистрируется фотоприемником.

Известно также устройство датчика абсорбционного типа [2]. Принцип работы волноводного оптического химического сенсора абсорбционного типа основан на регистрации изменения интенсивности волноводной моды, распространяющейся через исследуемую газообразную среду, находящуюся рядом с сенсором. Например, если в воздухе над волноводом появится газ, у которого есть характерная линия поглощения, совпадающая с длиной волны лазерного излучения, то будет наблюдаться затухание интенсивности волноводной моды. Когерентное оптическое излучение от лазера при помощи, например, оптоволокна, подводится к сенсорной ячейке. Оптический пучок вводится в волноводный оптический химический сенсор, распространяется в нем, частично проникая в воздух над волноводом, и, в присутствии исследуемого газового компонента, на выходе происходит уменьшение интенсивности сигнала, регистрируемого фотоприемником, который соединен с ним при помощи оптоволокна. Сенсор представляет собой подложку из оптически прозрачного материала, например, стекла. На подложке сформирована волноводная структура на основе ниобата лития легированного титаном, которая состоит из двух канальных и рупорных волноводов. Для ввода и вывода оптического излучения используется оптоволокно.

Для обоих аналогов характерны следующие недостатки: использование внешнего лазерного источника с хорошим качеством излучения, длина волны лазера должна соответствовать характерной линии поглощения определяемых веществ, волноводный канал может быть значительных размеров (до метров), сложность настройки устройства ввода – вывода излучения.

Наиболее близкий аналог это устройство [3]. В работе предложено три варианта конструкций люминесцентных сенсорных датчиков, где в качестве аналитов (определяемого вещества) выступают пары динитротолуола и тринитротолуола. Один из них вариант вывода усиленного спонтанного излучения через торец волновода, содержащий чувствительный тонкопленочный слой. Второй вариант предлагает использование распределенной обратной связи (РОС), на который нанесен чувствительный тонкопленочный слой. Третий вариант содержит кольцевой волновод, состоящий из чувствительного тонкопленочного слоя, без устройства вывода излучения. Предложенные конструкции относятся к люминесцентным сенсорам, поскольку механизм детектирования основан на взаимодействии электрондефицитных ароматических соединений с электрондонорными полимерами и тушению флуоресценции полимера по механизму образования комплексов с переносом энергии. Авторы различными методами пытаются реализовать надежные методы регистрации полезного сигнала, увеличить фотостабильность полимерной пленки и понизить порог генерации. При этом возбуждать, ввиду особых физических и химических особенностей, соединения приходится излучением ультрафиолетового азотного лазера (λ = 337 нм), которое разрушительным образом действует на компоненты сенсора, уменьшая ресурс работы. Не во всех вариантах авторам удалось достичь лазерной генерации из-за использования химических соединений с различными оптическими свойствами, поскольку приходится согласовывать волноводные свойства разнородных материалов по показателю преломления.

Задачей изобретения является создание сенсорного устройства способного определять наличие и идентифицировать химические соединения в окружающей среде, которое позволило бы увеличить чувствительность сенсорного устройства, уменьшить уровень накачки, понизить порог генерации, увеличить ресурс работы, расширить ряд чувствительных химических соединений, снизить требования к качеству возбуждающего излучения, уменьшить себестоимость и упростить конструкцию.

Решение поставленной задачи достигается в предлагаемом устройстве фотовозбуждаемого лазерного интегрально-оптического сенсора, который состоит из источника возбуждения, чувствительного слоя, тонкопленочной лазерно-активной среды, дополнительного слоя, оптических элементов обеспечения положительной обратной связи и вывода излучения, прозрачной подложки. Источник накачки подбирается из ряда лазерных и не лазерных источников излучения, способных накачать лазерно-активную среду до пороговой генерации. Чувствительный слой представляет собой пленку полиметилметакрилата, допированную химическим веществом чувствительным к аналиту, при взаимодействии с которым в пленке появляется спектральная полоса поглощения, а не люминесценции в отличие от прототипа. Этот чувствительный слой нанесен на поверхность тонкопленочной лазерно-активной среды на основе полиметилметакрилата и составляет с ней одно целое с одним коэффициентом преломления, а спектральная линия генерации совпадает со спектральной полосой поглощения чувствительного слоя, появляющаяся после взаимодействия с аналитом на поверхности чувствительного слоя.

В качестве лазерно-активной среды может выступать любой лазерный краситель с низким порогом генерации, допированный в полиметилметакрилат. В качестве чувствительного слоя может быть выбрано химическое соединение из множества химических веществ, удовлетворяющее условию, что при взаимодействии с аналитом будет образовывать комплекс, поглощение которого лежит в области лазерной генерации красителя. Это значительно расширяет ряд лазерно-активных сред и чувствительных химических соединений к различным аналитам, пригодных для создания сенсоров такого типа.

Для увеличения эффективной длины взаимодействия лазерного излучения с аналитом введена положительная обратная связь при помощи двух распределенных брэгговских отражателей (РБО). Другая роль РБО – увеличение добротности резонатора, что снижает порог возникновения генерации в тонкопленочном волноводе при отсутствии взаимодействия с аналитом и увеличение ресурса работы. Все это, в целом, повышает чувствительность сенсора. Один РБО выполнен с дифракционным максимумом под углом 90,° что позволяет обеспечить простой вывод полезного сигнала через прозрачную подложку. Другой РБО выполнен с условием полного обратного отражения. Они сформированы на дополнительном промежуточном слое, между лазерно-активной средой и прозрачной подложкой. Этот слой выполнен с условием соотношения показателей преломлением nслоя<nпмма для обеспечения хороших волноводных свойств в планарном волноводе и одновременно обеспечивает адгезию полиметилметакрилата к подложке.

Технический результат заключается в увеличении чувствительности сенсорного устройства, уменьшении уровня накачки, понижении порога генерации, увеличении ресурса работы, расширении ряда чувствительных химических соединений, снижении требований к качеству возбуждающего излучения, снижении себестоимости и упрощении настройки самой конструкции.

Для пояснения предполагаемого изобретения предложен чертеж Фигура 1. – Схематическое изображение конструкции фотовозбуждаемого лазерного интегрально-оптического сенсора, где: 1 – прозрачная подложка; 2 – адгезионный слой; 3 – тонкопленочная лазерно-активная среда – планарный волновод; 4 – распределенный брэгговский отражатель (глухое зеркало); 5 – распределенный брэгговский отражатель со вторым порядком дифракции под углом 90°; 6 – выходное излучение пороговой генерации; 7 – излучение от источника накачки; 8 – чувствительный слой к аналиту; 9 – покровный слой (воздух+аналит).

Устройство фотовозбуждаемого лазерного интегрально-оптического сенсора состоит из источника накачки 7, который может быть лазерным и не лазерным, излучающим в видимом диапазоне и способным накачать лазерно-активную среду до пороговой генерации. Прозрачная подложка 1 может быть выполнена из стекла и не требует прецизионной оптической обработки. Адгезионный слой 2 может быть выполнен из гидрализованного тетраэтоксисилана [4]. Распределенные брэгговские отражатели 4, 5 формируются на поверхности адгезионного слоя 2 одним из известных способов, с соблюдением условий: 4 – распределенный брэгговский отражатель (глухое зеркало), 5 – распределенный брэгговский отражатель со вторым порядком дифракции под углом 90°. В качестве лазерно-активной среды 3 может выступать любой лазерный краситель с низким порогом генерации, с хорошей растворимостью в метилметакрилате. В качестве чувствительного слоя 8 может быть выбрано любое химическое соединение с хорошей растворимостью в метилметакрилате, удовлетворяющее условию, что при взаимодействии с аналитом будет образовывать комплекс, поглощение которого лежит в области лазерной генерации красителя.

Устройство работает следующим образом: при фотовозбуждении тонколенточной лазерно-активной среды 3 от источника накачки 7 возникает пороговая генерация и распространяется в планарном волноводе. Вывод полезного сигнала 6 осуществляется через один из двух распределенных брэгговских отражателей 5 во втором порядке дифракции под углом 90° к поверхности через прозрачную подложку и улавливается фотоприемником. В качестве фотоприемника может выступать как спектральный приемник, так и амплитудный. Амплитудный приемник позволяет определить наличие амплитудного сигнала, а спектральный - изменение характерной спектральной ширины линии генерации. В присутствии аналита 9 происходит его взаимодействие с чувствительным слоем 8 и в поверхностном слое которого образуется спектральная полоса поглощения линии генерации. Поскольку лазерная генерация распространяется по планарному волноводу 3 благодаря явлению полного внутреннего отражения, т.е. многократно отражаясь от границ раздела: лазерно-активная среда 3 – адгезионный слой 2 и покровный слой (воздух + аналит) 9 – лазерно-активная среда 3, то при каждом отражении от последней возникают потери из-за имеющегося поглощения на границе раздела, которые с каждым отражением накапливаются в частности еще благодаря присутствию устройств обратной связи (РБО), наличие которых позволяет уменьшить реальную длину планарного волновода. При определенной концентрации аналита в покровном слое наступает срыв генерации, что регистрируется фотоприемником.

Технический результат заключается в увеличении чувствительности сенсорного устройства, уменьшении уровня накачки, понижении порога генерации, увеличении ресурса работа, расширении ряда чувствительных химических соединений, снижении требований к качеству возбуждающего излучения, снижении себестоимости и упрощении настройки самой конструкции.

Использованные источники информации

1. A.A. Egorov, M.A. Egorov, Yu.I. Tsareva, T.K. Chekhlova Study of the Integrated-Optical Concentration Sensor for Gaseous Substances // Laser Physics. – Vol. 17. – Is. 1. – P. 50–53 https://doi.org/10.1134/S1054660X0.

2. Н.В. Масальский Волноводный оптический химический сенсор концентрации газообразных веществ на ниобате лития // Материалы Международной научно-технической конференции. – 3-7 декабря 2012 г. – C. 15-18.

3. A. Rose, Z. Zhu, C.F. Madigan, T.M. Swager, V. Bulovic Sensitivity gains in chemosensing by lasing action in organic polymers // / NATURE. – Vol 434. – 2005. – P. 876–879.

4. Патент № 2666181 «Тонкопленочный фотовозбуждаемый органический лазер на основе полиметилметакрилата»; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования Национальный исследовательский Томский государственный университет (ТГУ, НИ ТГУ) (RU) — № 2016150444; заявл. 21.12.2016; опубл. 06.09.2018.


ФОТОВОЗБУЖДАЕМЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР
ФОТОВОЗБУЖДАЕМЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 173 items.
10.07.2015
№216.013.5b6a

Способ получения катализатора на основе ceo-snо на стеклотканном носителе

Изобретение относится к способу получения катализатора на основе CeO-SnО на стеклотканном носителе. Данный способ включает подготовку носителя путем термической обработки при 500°С, нанесение спиртового пленкообразующего раствора методом вытягивания со скоростью 100 мм/мин, сушку при 60°С 1 ч и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002554943
Дата охранного документа: 10.07.2015
10.08.2015
№216.013.68bf

Катализатор переработки этанола и способ получения ацетальдегида и водорода из этанола с использованием этого катализатора

Изобретение относится к катализатору получения ацетальдегида и водорода из этанола. Данный катализатор представляет собой мезопористый силикагель (S =100-300 м/г) с нанесенным на его поверхность серебром в количестве 1-8% от массы катализатора, находящимся в высокодисперсном (наноразмерном)...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002558368
Дата охранного документа: 10.08.2015
10.09.2015
№216.013.777b

Способ подготовки культур сульфидогенных бактерий для выделения днк

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложен способ подготовки культур сульфидогенных бактерий для выделения ДНК. В способе используют 15 мл культуральной жидкости. Центрифугируют культуральную жидкость при 1000 об/мин. Проводят трехкратную отмывку клеток фосфатно-солевым буфером в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002562176
Дата охранного документа: 10.09.2015
27.10.2015
№216.013.88e2

Способ очистки донных отложений и воды от нефти и нефтепродуктов под ледовым покровом в водоемах

Способ включает размещение на водоеме источника сжатого воздуха и источника водовоздушной смеси, который подсоединен к водовоздушному шлангу, перед началом очистных мероприятий осуществляют гидроэкологическое обследование водоема по сетке станций, устанавливают направляющие каналы (основной и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002566645
Дата охранного документа: 27.10.2015
10.11.2015
№216.013.8b72

Способ получения сложного алюмината кальция-магния

Изобретение относится к люминофорам и может быть использовано при производстве материалов для источников и преобразователей света. Готовят рабочий раствор, содержащий следующие компоненты, мас.%: тетрагидрат нитрата кальция - 1,30-1,33; гексагидрат нитрата магния - 1,41-1,44; нонагидрат нитрата...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002567305
Дата охранного документа: 10.11.2015
10.11.2015
№216.013.8bad

Способ предпосевной обработки семян зерновых культур

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству, и может быть использовано для предпосевной обработки семян зерновых культур (пшеницы, ячменя, овса). Способ предпосевной подготовки семян зерновых культур включает обработку семян гликолурилом путем их...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002567364
Дата охранного документа: 10.11.2015
10.11.2015
№216.013.8d8d

Способ определения селена(iv)

Группа изобретений относится к области аналитической химии, а именно к методам определения селена(IV), и может быть использована при его определении в фармацевтических препаратах, биологически активных добавках, питьевых и минеральных водах. Способы определения селена(IV) с использованием...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002567844
Дата охранного документа: 10.11.2015
27.11.2015
№216.013.93a7

Способ зеленого черенкования плодовых и ягодных культур

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к садоводству. Способ включает размножение черенков годичного прироста длиной 15-20 см с 3-4 почками и двумя-тремя целыми листьями с последующей обработкой черенков перед посадкой. При этом черенки после оводнения в течение 1 часа...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002569418
Дата охранного документа: 27.11.2015
10.12.2015
№216.013.95d0

Способ увеличения семенной и сырьевой продуктивности посконника коноплевидного в условиях ex situ

Изобретение относится к области сельского хозяйства, селекции и семеноводства. Способ включает отбор молодых и средневозрастных генеративных особей в природных местах произрастания, изучение их морфобиологических особенностей, выявление вариабельности морфобиологических признаков и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002569972
Дата охранного документа: 10.12.2015
10.12.2015
№216.013.97b8

Способ очистки донных отложений водоемов от нефти и нефтепродуктов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и предназначено для очистки природных и искусственных водоемов, дно которых загрязнено нефтью и нефтепродуктами. Способ очистки донных водоемов от нефти и нефтепродуктов включает отделение нефти и нефтепродуктов от донных отложений, подъем...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002570460
Дата охранного документа: 10.12.2015
Showing 1-9 of 9 items.
10.10.2014
№216.012.fb21

Способ изготовления георешетки неограниченной длины из отдельных секций

Изобретение относится к авто- и железнодорожному строительству, строительству аэродромов, объектов и сооружений различного назначения, ландшафтному строительству и может быть использовано для изготовления объемных георешеток, применяемых при обустройстве основания дорожной одежды, например, при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002530135
Дата охранного документа: 10.10.2014
10.10.2014
№216.012.fb22

Способ подготовки к хранению и использованию объемной георешетки

Изобретение относится к авто- и железнодорожному строительству, строительству аэродромов, объектов и сооружений различного назначения, ландшафтному строительству и может быть использовано для организации хранения и применения объемной георешетки при обустройстве основания дорожной одежды....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002530136
Дата охранного документа: 10.10.2014
20.11.2015
№216.013.918d

Лазерное вещество

Изобретение относится к лазерным веществам на основе органических красителей и может найти применение в лазерной технике при изготовлении твердотельных активных элементов. Предложено лазерное вещество, содержащее (мас.%):...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002568877
Дата охранного документа: 20.11.2015
23.08.2018
№218.016.7e69

Заготовка для ячеистой объемной несварной бесшовной георешетки

Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкциям георешеток, и может найти применение в строительстве дорог, в частности для укрепления земляных откосов, особенно имеющих достаточно большой угол наклона, а также для укрепления береговых линий и русел водоемов, и некоторых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002664555
Дата охранного документа: 21.08.2018
23.08.2018
№218.016.7e72

Заготовка для ячеистой объемной несварной бесшовной георешетки

Изобретение относится к области строительства, а именно к конструкциям георешеток, и может найти применение в строительстве дорог, в частности для укрепления земляных откосов, особенно имеющих достаточно большой угол наклона, а также для укрепления береговых линий и русел водоемов, и некоторых...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002664556
Дата охранного документа: 21.08.2018
07.09.2018
№218.016.8385

Тонкопленочный фотовозбуждаемый органический лазер на основе полиметилметакрилата

Изобретение относится к лазерной технике. Тонкопленочный фотовозбуждаемый органический лазер на основе полиметилметакриалата содержит оптический источник накачки, органическую лазерно-активную среду из полиметилметакрилата и органического люминофора, растворенного в нем и нанесенного на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002666181
Дата охранного документа: 06.09.2018
06.07.2019
№219.017.a8f3

Установка для получения блочного пеностекла непрерывным способом

Изобретение относится к устройствам для получения вспененных силикатных материалов. Технический результат изобретения заключается в повышении прочности пеностекла, возможности утилизации отходов пеностекла в рамках одного технологического процесса. Установка для получения блочного пеностекла...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002431612
Дата охранного документа: 20.10.2011
16.08.2019
№219.017.c0c1

Устройство оптической накачки твердотельного лазерно-активного элемента для усиления оптического излучения

Изобретение относится к лазерной технике. Устройство оптической накачки твердотельного лазерно-активного элемента для усиления оптического излучения осуществляет введение энергии накачки в лазерно-активную среду с боковых сторон активного элемента. Последовательное поперечно-продольное введение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002697434
Дата охранного документа: 14.08.2019
22.05.2020
№220.018.1fd1

Многоволновый фотовозбуждаемый тонкопленочный органический лазер

Изобретение относится к лазерной технике. Многоволновый фотовозбуждаемый тонкопленочный органический лазер содержит источник оптической накачки, лазерно-активный элемент в виде подложки, на которую нанесен дополнительный слой, обеспечивающий условия полного внутреннего отражения для длины волны...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002721584
Дата охранного документа: 20.05.2020
+ добавить свой РИД