Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ВИЗУАЛИЗАЦИИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Изобретение относится к технике контроля и измерения распределения полей и изображений инфракрасного диапазона и может быть использовано для прямого преобразования изображения среднего инфракрасного диапазона в изображение видимого или ближнего инфракрасного диапазона, где имеются стандартные средства визуализации, например фотоэлектрические преобразователи.

Известен оптический преобразователь изображения (заявка ФРГ №1299782, М. кл. Н 01 S 3/00, опубл. 24.07.1969 г.), который содержит антистоксовый преобразователь частоты. В этом устройстве инфракрасное изображение формируется на входном торце набора активных световодов (НАС), выполненных из вещества, содержащего центры антистоксового преобразования частоты. В этих световодах происходит преобразование частоты инфракрасного излучения, и изображение видимого диапазона без потери четкости формируется на выходном (противоположном) торце набора активных световодов.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность преобразования.

Известно устройство визуализации инфракрасного изображения (патент РФ на полезную модель №41526, G 02 F 2/02, опубл. 27.10.2004 г.), содержащее антистоксовый преобразователь частоты, выполненный в виде набора активных световодов, сопряженный с входной оптической системой и источником излучения накачки, выбранное в качестве прототипа. Визуализация инфракрасного изображения в этом устройстве также происходит в наборе активных световодов, содержащих центры антистоксового преобразования частоты вверх под действием поля накачки, при этом изображение видимого или ближнего инфракрасного диапазона формируется на одном из торцов набора активных световодов.

Недостатком данного устройства является то, что под действием поля накачки в активных световодах НАС происходит выделение тепла. Это приводит к снижению чувствительности устройства визуализации инфракрасного изображения (С.Н.Андрианов, В.П.Иванов, Ю.Е.Польский. Пороговая чувствительность антистоксового преобразователя частоты. Письма в ЖТФ, 2004, Т.30, №14, С.20-24). Кроме того, распределение температуры по объему НАС будет неоднородным. Это приводит к неоднородности чувствительности световодов, входящих в НАС и, соответственно, к искажению преобразуемого инфракрасного изображения.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение чувствительности устройства и выравнивание температуры по всему объему НАС, что обеспечивает выравнивание пороговой чувствительности активных световодов, входящих в НАС и, соответственно, к устранению искажения преобразуемого инфракрасного излучения, а также повышение эффективности работы устройства.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве визуализации инфракрасного изображения, содержащем антистоксовый преобразователь частоты, выполненный в виде набора активных световодов и оптически сопряженный с входной оптической системой и источником излучения накачки, введен второй источник излучения накачки, оптически сопряженный с оболочкой активных световодов, при этом оболочка активных световодов выполнена из материала, содержащего центры антистоксового охлаждения.

А также тем, что энергетические уровни центров антистоксового охлаждения оболочки и центров антистоксового преобразования частоты активных световодов подобраны таким образом, что центры антистоксового охлаждения оболочки активных световодов, например ионы иттербия, являются источниками дополнительного излучения накачки центров антистоксового преобразования частоты активных световодов, например ионов эрбия.

При этом оболочка активных световодов в наборе может быть выполнена монолитной.

На фиг.1 представлена схема устройства визуализации инфракрасного изображения. На фиг.2 представлены схематические изображения набора активных световодов. На фигуре 3 представлены схемы энергетических уровней центров антистоксового охлаждения оболочки (а) и центров антистоксового преобразования частоты вверх активных световодов (б).

Устройство визуализации инфракрасного изображения содержит антистоксовый преобразователь частоты 1, выполненный в виде набора активных световодов (НАС) 2, оптически сопряженный с входной оптической системой 3 и источником излучения накачки 4 центров антистоксового преобразования частоты вверх НАС 2, второй источник излучения накачки 5 центров антистоксового охлаждения и выходную оптическую систему 6, оптически сопряженную с выходом антистоксового преобразователя частоты 1. Сердцевина 7 активных световодов НАС 2 изготовлена из материала с малой величиной электрон-фононной связи, например LaF₃, LaCl₃, содержащего центры антистоксового преобразования частоты вверх, в качестве которых могут применяться ионы редкоземельных элементов, например эрбия, и заключена в оболочку 8, выполненную из вещества с большой величиной электрон-фононной связи, например тяжелых стекол, в которые введены центры антистоксового охлаждения, например ионы иттербия (фиг.2а). Второй источник излучения накачки 5 оптически сопряжен с оболочкой 8 активных световодов НАС 2, которая может быть выполнена и монолитной (фиг.2б). Излучение центров антистоксового охлаждения оболочки 8 активных световодов НАС 2 может быть использовано для дополнительной накачки центров антистоксового преобразования частоты вверх активных световодов НАС 2. Для этого выходная частота излучения центров антистоксового охлаждения f_доп оболочки 8 должна попадать в полосу частот накачки центров антистоксового преобразования частоты вверх активных световодов НАС 2, т.е. f_доп=f_нак. Например, это условие выполняется, если центрами антистоксового охлаждения оболочки 8 являются ионы иттербия, а центрами антистоксового преобразования частоты вверх активных световодов НАС 2 являются ионы эрбия. На переднюю 9 и заднюю 10 торцевые поверхности НАС 2 могут быть нанесены дихроичные покрытия для ввода и вывода излучений с различными длинами волн, в зависимости от построения оптической схемы устройства. На фиг.1 представлен вариант исполнения, в котором передняя торцевая поверхность 9 НАС 2 является одновременно входом и выходом антистоксового преобразователя частоты 1. Входная оптическая система 3 снабжена фильтром 11.

Устройство визуализации инфракрасного изображения работает следующим образом. Инфракрасное изображение сцены в диапазоне длин волн, примерно от 3,0 мкм до 12,0 мкм, проходя через входную оптическую систему 3, формируется на передней торцевой поверхности 9 НАС 2, являющейся входом антистоксового преобразователя частоты 1. Одновременно на заднюю торцевую поверхность 10 НАС 2 подается излучение накачки от источника излучения накачки 4, которое может находиться в ближней инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой области спектра. В результате при взаимодействии входного ИК-излучения с излучением накачки источника 4 в каждом отдельном активном световоде НАС 2 за счет поглощения энергии излучения накачки центрами антистоксового преобразования частоты вверх активных световодов НАС 2 происходит переход электронов центров антистоксового преобразования частоты вверх с основного уровня энергии на более высокий излучающий уровень, что приводит к спонтанному испусканию выходного оптического сигнала с более короткой длиной волны. Входное ИК-излучение, распространяясь в активных световодах НАС 2 и отразившись от задней торцевой поверхности 10, формирует на передней торцевой поверхности 9 НАС 2, которая одновременно является выходом антистоксового преобразователя частоты 1, изображение видимого или ближнего ИК-диапазона. Далее, через фильтр 11 входной оптической системы 3 излучение поступает на выходную оптическую систему 6. Одновременно в оболочку 8 активных световодов НАС 2 вводится излучение от второго источника излучения накачки 5 для возбуждения центров антистоксового охлаждения оболочки 8 активных световодов НАС 2. При этом излучение накачки второго источника излучения накачки 5 переводит электроны центров антистоксового охлаждения оболочки 8 активных световодов НАС 2 с термически возбужденных подуровней 1' основного состояния (фиг.3а) на термически невозбужденные подуровни 2 возбужденного состояния. Затем после дополнительного поглощения тепловой энергии электроны центров антистоксового охлаждения оболочки 8 активных световодов НАС 2 переходят на термически возбужденные подуровни 2' возбужденного состояния, откуда после спонтанного излучения фотонов с большей, чем у фотонов накачки, частотой переходят на термически невозбужденные подуровни 1 основного состояния и вновь после поглощения тепла переводятся на термически возбужденные подуровни 1' основного состояния. При этом за счет поглощения тепловой энергии происходит равномерное охлаждение оболочки 8 активных световодов НАС 2.

Излучение центров антистоксового охлаждения оболочки 8 активных световодов НАС 2 может быть использовано для дополнительной накачки центров антистоксового преобразования частоты вверх активных световодов НАС 2. Для этого выходная частота излучения центров антистоксового охлаждения f_доп должна попадать в полосу частот излучения накачки центров антистоксового преобразования частоты вверх НАС 2, т.е. f_доп=f_нак. На фиг.3 представлены возможные схемы энергетических уровней центров антистоксового охлаждения оболочки 8 активных световодов НАС 2 (фиг.3а) и центров антистоксового преобразования частоты вверх активных световодов НАС 2 (фиг.3б). Например, излучение антистоксового охлаждения ионов иттербия может служить дополнительным излучением накачки для ионов эрбия, которые являются центрами антистоксового преобразования частоты вверх активных световодов НАС 2, так как выходная частота излучения f_доп ионов иттербия и частота излучения накачки f_нак ионов эрбия, необходимая для преобразования инфракрасного излучения в видимое, совпадают.

Введение центров антистоксового охлаждения в оболочку активных световодов обеспечивает под действием второго источника излучения накачки высокоэффективное, в силу большой поверхности взаимодействия, и однородное охлаждение активных световодов НАС, что позволяет повысить пороговую чувствительность активных световодов и устранить искажения преобразуемого инфракрасного изображения. Кроме того, в предлагаемом устройстве достигнуто повышение эффективности работы устройства за счет использования излучения центров антистоксового охлаждения оболочки активных световодов НАС в качестве дополнительного излучения накачки центров антистоксового преобразования частоты вверх активных световодов НАС.