Преобразователь спектра оптического излучения

 

Использование: изобретение относится к оптике и может быть использовано в производстве источников света и оптических материалов. Сущность: преобразователь спектра оптического излучения состоит из слоя прозрачной для части падающего и преобразованного излучения основы, в которую входит один тип наполнителя с размером частиц более 10^-9 м, показатель преломления лежит в пределах 1<n_н, где n_н - показатель преломления наполнителя. 3 ил.

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в производстве источников света и оптических материалов.

Известны преобразователи спектра оптического излучения, представляющие собой люминесцентный слой, который применяется в источниках света, телевизионных экранах (см. Рохлин Г.Н. Газоразрядные источники света. М. Энергия, 1971, с. 289-297). Люминесцентный слой состоит из мелких частиц люминофора, скрепленных между собой связующим. Вещество связующего в процессе изготовления слоя удаляется путем выжигания. В результате пространство между частицами слоя люминофора заполнено воздухом или разряженным газом. Известные преобразователи спектра оптического излучения преобразуют спектральный состав падающего излучения.

Одним из недостатков существующих преобразователей спектра оптического излучения, который значительно снижает КПД, является рассеяние света внутри преобразователя частицами люминофора.

Технической задачей изобретения является повышение КПД преобразователя и увеличение коэффициента пропускания для преобразованного излучения.

Поставленная задача достигается тем, что в преобразователе спектра оптического излучения, состоящем из одного или нескольких слоев прозрачной для части падающего и преобразованного излучения основы, в которую входит один или несколько типов наполнителя, например люминофоров с размером частиц более 10^-9 м, показатель преломления основы лежит в пределах 1<n_н где n₄ показатель преломления наполнителя.

На фиг. 1 изображен преобразователь спектра оптического излучения, состоящий из слоя прозрачной для части падающего и преобразованного излучения основы 1, в которую входит один тип наполнителя 2 с размером частиц более 10^-9 м.

Возможность повышения эффективности преобразования оптического излучения при соблюдении условия, что показатель преломления основы лежит в пределах 1<n_н, где n₄ показатель преломления наполнителя, подтверждают следующий расчет и экспериментальные данные.

Рассмотрим прохождение света через преобразователь оптического излучения, состоящий из основы с показателем преломления n, в который введены частицы преобразования наполнителя с показателем преломления n_н.

Коэффициент пропускания слоя преобразователя К равен где h толщина слоя преобразователя; Константы χ и s вводятся через коэффициенты отражения r и пропускания t бесконечно-тонкого слоя r(dx)=Sdx, t(dx)=1-(S+χ)dx. (3) Определим зависимость К от S Нетрудно видеть, что
Из соотношения (5) следует, что коэффициент пропускания слоя преобразователя увеличивается с уменьшением S, т. е. с уменьшением рассеяния оптического излучения преобразователем излучения и достигается максимальной величины при S=0.

Согласно (Иванов А. П. Предко Н.Т. Оптика люминесцентного экрана. - Минск, Наука и техника, 1984, с. 271) (1) константа рассеяния S пропорциональна коэффициенту отражения от поверхности частицы наполнителя r

где C_v плотность упаковки;
d размер частицы наполнителя.

С другой стороны коэффициент отражения световой волны, падающей на плоскую границу раздела двух сред есть (формула Френкеля):

Для нормального падения

где i угол падения;
ϕ угол преломления, связанные соотношением:

где n₂₁ относительный показатель преломления.

Для предложенного преобразователя оптического излучения

где n показатель преломления основы;
n_н показатель преломления наполнителя.

Расчеты, проведенные по соотношениям (7-9), показывают, что при уменьшении относительного показателя преломления уменьшается коэффициент отражения от поверхности наполнителя, что приводит к уменьшению рассеяния оптического излучения преобразователем, а следовательно, увеличивается коэффициент пропускания слоем преобразователя. Увеличение коэффициента пропускания преобразователем излучения достигается, если 1<n_н..

До сих пор рассматривался вопрос оптического излучения, в котором наполнитель не люминесцировал. В случае использования в качестве наполнителя люминофора интенсивность преобразованного излучения со стороны противоположной возбуждению, которую дает преобразователь оптического излучения, представляющий собой люминесцентный слой, согласно [1] равна

где j относительная спектральная плотность;
η энергетический выход люминесценции;
E_во освещенность поверхности, создаваемая возбуждающим излучением со стороны падения. Индекс "В" соответствует случаю возбуждающего излучения.

Результаты, полученные по соотношениям (1 и 10), с точностью согласуются с экспериментальными данными для К и Е реальных мелкодисперсных сред с плотной упаковкой, например люминофорных слоев.

Для используемых в промышленности люминофоров (Л-50, ФЛ-580-3500, ЛГ-1-2 и т. д. ) поглощение возбуждающего излучения существенно преобладает над поглощением преобразованного излучения (L_в>L). Кроме того, при оптимальной толщине преобразователя (толщина, при которой интенсивность преобразованного излучения максимальна), возбуждающее излучение практически полностью поглощается, т.е. L_вh>1, . Тогда соотношение (10) можно представить в виде

Т. е. зависимость Е от S аналогична зависимости К от S. Таким образом, увеличение интенсивности преобразованного излучения, а следовательно, и КПД преобразователя спектр оптического излучения и увеличение коэффициента пропускания преобразователя оптического излучения достигается путем помещения в основу прозрачную по крайней мере для части падающего и преобразованного излучения наполнителя, который преобразует спектр падающего излучения. Причем 1<n_н. Наибольший КПД и максимальный коэффициент пропускания достигаются, если показатель преломления наполнителя равен показателю преломления преобразователя. Однако это равенство нельзя реализовать в связи с тем, что люминофор преобразует излучение с длиной волны λ_o в излучение с длиной волны λ₁, например, ультрафиолетовое преобразуется в видимое. Сохранить равенство показателей преломления основы и наполнителя на разных длинах волн (падающее излучение и преобразованное) практически невозможно из-за дисперсии. Кроме того, наполнителей может быть несколько с разными коэффициентами показателей преломления, что также препятствует практическому выполнению равенства показателей преломления.

На фиг. 2 и 3 приведены зависимости коэффициента пропускания (λ=579 нм) и интенсивности люминесценции со стороны, противоположной возбуждению от нагрузок (λ=620 нм).. Под нагрузкой понимается масса наполнителя, приходящаяся на единицу площади. В качестве наполнителя использовался люминофор ФЛ-580-3500. Кривые фиг. 2(К) и фиг. 3 (Е) соответствуют случаю люминофорного слоя в воздухе (основа-воздух ). Кривые 2 фиг. 2 (К_o) и фиг. 3 (E_o) случаю слоя, сформированного путем помещения порошка люминофора (наполнителя) в оптически однородную среду (основу), в качестве которой использовалась пленка, полученная на основе лака Ф-32. При этом 1<n_н.

Из фиг. 2 и 3 видно, что, например, для λ=579 нм при нагрузке σ=5 мг/см² коэффициент пропускания увеличивается на 20% К_o/К. Интенсивность люминесценции λ=620 нм,, вышедшей из слоя, возрастает на 18%
Приведенные результаты верны и для оптических фильтров, которые также являются преобразователями спектра оптического излучения.

Формула изобретения

Преобразователь спектра оптического излучения, состоящий из одного или нескольких слоев прозрачной для части падающего и преобразованного излучения основы, в которую входит один или несколько типов наполнителя, например, люминофоров с размером частиц более 10^-9 м, отличающийся тем, что показатель преломления основы лежит в пределах 1 < п < п_н² где п_н показатель преломления наполнителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3