способ преобразования частоты оптического излучения

Формула изобретения

1. Способ преобразования частоты оптического излучения, характеризующийся тем, что облучают белым светом прозрачные наночастицы объемом порядка 10^-15 см³, активированные примесными атомами с концентрацией порядка 10²⁰-10²¹ см^-3 и укрепленные в виде монослоя на прозрачной подложке.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что наночастицы выполнены из стекла.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что наночастицы закрепляют на подложке посредством оптически прозрачного клея.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что подложка выполнена гибкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области преобразования оптического излучения с применением нанотехнологий.

Известен прием получения монохроматического излучения с использованием наночастиц и создания на его основе цветных чернил. Для этого создают смесь, содержащую сферические наночастицы из двуокиси кремния диаметром около 3·10^-4 мм, полимерный электропроводный гель и растворитель. Под действием электрического потенциала, приложенного к так называемому «коллоидному кристаллу», влияют на степень взаимодействия геля и растворителя и тем самым управляют расстояниями между наночастицами, наносимыми на поверхность. Благодаря процессам интерференции, отраженный от частиц свет приобретает определенную монохроматичность [Журнал Nature; http://www.nature. com/nsu/ 030317/030317-1.htm1].

Известный прием получения монохроматического излучения:

1) не обеспечивает достаточную яркость света, отраженного от частиц двуокиси кремния,

2) цвет чернил имеет зависимость от облучающего света,

3) подбор чернил одинакового цвета проблематичен, так как цвет одновременно зависит от химического состава растворителя, геля и от приложенного потенциала,

4) излучение может быть качественно получено под углом облучения и отражения вблизи угла 90° (в направлении нормали к поверхности с чернилами).

Техническая задача состоит в получении монохроматического оптического излучения путем преобразования частоты оптического излучения с обеспечением высокой яркости излучения в заданном диапазоне оптического спектра с малым потреблением энергии и с возможностью обзора излучения в произвольном направлении в пределах полусферы над излучающей поверхностью.

Заявляется способ преобразования частоты оптического излучения, характеризующийся тем, что облучают белым светом прозрачные наночастицы объемом порядка 10^-15 см³, активированные примесными атомами с концентрацией порядка 10²⁰-10²¹ см^-3 и укрепленные в виде монослоя на прозрачной подложке.

Наночастицы могут быть выполнены из стекла (двуокиси кремния) и закреплены на подложке посредством оптически прозрачного клея, при этом подложка может быть выполнена, в частности, гибкой.

Способ поясняется показанной на фигуре схемой взаимодействия двух наночастиц при облучении белым светом.

Оптически прозрачные, например, из стекла, наночастицы 1 объемом порядка 10^-15 см укреплены на поверхности прозрачной, например из стекла, подложки 2 с помощью оптически прозрачного клея 3. В качестве примера такого клея может служить NORLAND OPTICAL ADHESIVE. Наночастицы содержат примесные атомы 4 простого вещества, выбор которого произволен, не связан с выбором цвета излучения и основан на технологической целесообразности применения того или иного материала, например, бора; бария; фосфора.

При концентрации примесных атомов 10²⁰-10²¹ см^-3 ансамбли атомов взаимодействуют между собой на расстояниях порядка 100 нм. Вблизи поверхности оптической среды, которую создают подложка, прозрачный клей и прозрачные наночастицы, в наночастицах, активировнных примесными атомами, происходит значительная перестройка спектра плотных ансамблей атомов. При облучении наночастиц белым светом наблюдается оптический ближнепольный резонанс. Математический подход к объяснению эффекта ближнепольного резонанса изложен [в Журнале Экспериментальной и Технической Физики, - 124, №3, с.516-528, 2003; в журнале «Успехи физических наук», 170, №11, с.1145-1181, 2000, - / О.Н.Гадомский. Проблема двух электронов и нелокальные уравнения электродинамики]. Частота вторичного излучения (окрашивание) зависит от концентрации примесных атомов. Отношение частоты со ближнепольного резонанса в спектре примесных атомов к частоте ₀ квантового перехода примесных атомов из основного состояния в первое возбужденное электронное состояние равно приблизительно 2. Это означает, что при изменении концентрации примесных атомов в наночастицах изменяется частота вторичного излучения в пределах 2 ₀. То есть имеет место преобразование частоты оптического излучения и получение вторичного оптического излучения в пределах всего видимого диапазона спектра от синего цвета до инфракрасного. Примесные атомы могут принадлежать одному произвольно выбранному простому веществу для получения монохроматических излучений различного цвета, или произвольному набору простых веществ. Подложка как элемент, создающий поверхность оптической среды, может быть плоской, отличной от плоскости, а также гибкой.

Примесные атомы в наночастицах когерентно излучают, что объясняет большие значения силы света и яркости излучения двух активированных наночастиц в результате ближнепольного взаимодействия. Интенсивность света пары наночастиц составляет величину порядка 10¹² фотонов/с и вычисляется в соответствии с углом между условной линией R между центрами соседних наночастиц и направлением излучения. Направление облучения белым светом мало влияет на яркость вторичного излучения. Диаграмма направленности вторичного излучения определяется законом sin² . Это означает, что излучение активированных наночастиц доступно для обзора с угла около 180°.

Способ характеризуется получением монохроматического излучения большой яркости и силы света при одновременно малом потреблении энергии. Для сравнения: источник света на p-n-переходе в GeAs излучают до 10 Вт света с площади 2·10^-5 см². В соответствии с изобретением, на такой же площади 2·10^-5 см ² размещается около 10⁵ активированных наночастиц, что даст мощность около 10² Вт. Яркость такого субпикселя составляет около 500 кд/м² и, например, значительно превосходит яркость свечения полноцветного LEP-дисплея (Lijht Emitting Polimer - дисплея) [Компьютерное обозрение, 26 июля 1 августа 2000 г.]. Светоотдача субпикселя из 10⁵ наночастиц, которая равна отношению светового потока в люменах к потребляемой мощности в ваттах на длине волны =600 нм, составляет приблизительно 1000 лм/Вт и значительно превышает светоотдачу, получаемую в современных приборах на основе гетероструктур [Юнович А.Э.// Природа 2001, №6, с.38-45.]. При этом потребляемая мощность одного субпикселя составляет около 2·10^-10 Вт.

Источник света из двух активированных наночастиц потребляет малую энергию, поскольку рассматриваемые оптические ближнепольные резонансы являются линейными резонансами. Так, для получения интенсивности 10¹² фотонов/сек требуется напряженность электрического поля внешнего оптического излучения, облучающего пару наночастиц, равное приблизительно Е_0I =10 ед. СГСЭ. Для сравнения приведем значение электрического поля E_0I, которое потребовалось бы для возбуждения всех двухуровневых примесных атомов в двух наночастицах. Это поле равно приблизительно 10⁶ ед. СГСЭ, что сравнимо с внутриатомными полями, при которых необходимо учитывать нелинейные эффекты. Поэтому при использовании малоинтенсивных оптических полей для преобразования их частоты оптического излучения будет и малым поглощение энергии в наночастицах.

Изготовление наночастиц, активированных примесными атомами, доступно современным технологиям. Так Казанский физико-технический институт Академии наук осуществляет работы по имплантации атомов в поверхность и тонкие пленки.

Выделим основные преимущества заявляемого способа.

1. Относительная простота способа преобразования частоты оптического излучения и получения оптического изображения на основе эффекта оптических ближнепольных резонансов в системе активированных наночастиц. Оптическое излучение с соответствующими частотами во всем видимом оптическом диапазоне достигается лишь соответствующими концентрациями примесных атомов в наночастицах.

2. Наночастицы с примесными атомами устойчивы к процессам деградации и влиянию излучения. Так в LEP-дисплеях существует проблема расслоения покрытий из-за воздействия водяных паров, поэтому требуется особая герметичность полимерного экрана. Другой важной проблемой, препятствующей работе LEP-дисплеев, является восприимчивость пластика к ультрафиолетовым лучам, которые обесцвечивают его. Эту проблему пытались решить за счет многослойных структур, но дольше, чем на 5 лет, продлить жизнь полимерного дисплея так и не удалось. По данным Cambridge Display Technology срок службы частиц красного, зеленого и синего цветов составляет 100.000, 30.000 и 1000 часов соответственно [Компьютерное обозрение, 26 июля 1 августа 2000 г.].

3. Изготовление полноцветных дисплеев, реализующих заявляемый способ, приведет к их значительному удешевлению по сравнению с жидкокристаллическими, полимерными, плазменными дисплеями, а напыление наночастиц с помощью струйной технологии сделает возможным производство панелей различных форм и размеров.