Содержание
ученые предложили прототип нового визуализатора для инфракрасного лазера
Ученые ИТМО, Алферовского университета (АУ) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) создали гибкую прозрачную мембрану, делающую ИК-луч видимым для человека. Из нее можно делать визуализаторы, необходимые в оптических лабораториях и на производствах.
Работа ученых опубликована в журнале ACS Nano.
Хорошо известно, что инфракрасное (ИК) излучение невидимо для человеческого глаза. Однако нередко случается так, что людям все же нужно увидеть луч лазера, работающего в ИК-диапазоне. Это необходимо, например, при проверке лазерной установки, а также ее юстировке.
«В настоящее время в области инфракрасной оптики существует задача визуализации ИК-излучения, используемого для тех или иных применений, ― рассказывает главный научный сотрудник физико-технического факультета, руководитель Лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Сергей Макаров.
― Такое излучение широко используется в медицине, на производстве, в лидарах, в фундаментальных исследованиях. Лазерные установки ИК-диапазона имеются практически в каждой второй оптической лаборатории, к примеру, только у нас в ИТМО их более сотни».
― Такое излучение широко используется в медицине, на производстве, в лидарах, в фундаментальных исследованиях. Лазерные установки ИК-диапазона имеются практически в каждой второй оптической лаборатории, к примеру, только у нас в ИТМО их более сотни».Сергей Макаров
Чтобы увидеть, излучает ли установка в инфракрасном диапазоне, вовсе не обязательно надевать прибор ночного видения или брать специальную камеру. Для этого используют карточки из специального материала.
«Если вы используете лазер, работающий в видимом диапазоне, то вы можете просто взять тетрадный листок, поставить его поперек луча и увидите на нем точку. С ИК-лазером так не получится ― вы заметите его только тогда, когда он начнет поджигать листок бумаги. Однако для инфракрасного излучения есть карточки из специальных материалов, которые работают по сходному принципу. Если перегородить такой карточкой путь лучу, вы увидите точку на ее поверхности. Они сделаны с добавлением ионов редкоземельных металлов, которые поглощают ИК, излучают и преобразуют его в видимый спектр», ― поясняет Сергей Макаров.
Слева: инфракрасный луч проходит через разработанный визуализатор и попадает далее на коммерческий непрозрачный аналог. Справа: демонстрация высокой гибкости визуализатора в режиме эксплуатации. Иллюстрация предоставлена авторами статьи.
Такие карточки являются важным компонентом для любой оптической лаборатории или производства с ИК-лазером. Однако у них, по словам ученых, есть ряд недостатков ― начиная от высокой цены и заканчивая сравнительно маленьким сроком службы. Кроме того, они не универсальны и подойдут не для любой установки.
«Так как они работают на реальном поглощении инфракрасного излучения и преобразовании его в видимый спектр, то их можно использовать только на определенной длине волны, ― поясняет аспирант физико-технического факультета Университета ИТМО Дарья Маркина. ― Их делают под самые распространенные длины волн: около 1000 нанометров (для медицины) и 1500 нанометров (для телекома).
Но зачастую требуется использовать и настроить лазер на нестандартной длине волны. Мы часто сталкивались с тем, что для одного диапазона карточки работают хорошо, но для другого почти не работают и получается, что надо заказывать новые, тратить порядка 100 долларов за штуку, потом они выгорают, и надо опять покупать новые».При помощи предложенной технологии инфракрасное излучение может быть преобразовано в любой из цветов радуги. Числа на картинках соответствуют длинам волн преобразованного излучения. Иллюстрация предоставлена авторами статьи.
Постоянно сталкиваясь с неудобствами из-за дороговизны и недолговечности используемых ИК-визуализаторов, ученые из Университета ИТМО, Алферовского университета (АУ) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) решили применить свои фундаментальные работы для создания материала для ИК-визуализаторов нового поколения, лишенных многих недостатков использующейся сейчас продукции.
«Мы как физики-оптики понимаем, как это работает, и тем более у нас есть хороший задел в области наноматериалов, нанотехнологий.
Мы уже давно исследуем такие эффекты, как преобразование ИК-излучения в видимый диапазон за счет генерации оптических гармоник на наноструктурах, ― объясняет старший научный сотрудник физико-технического факультета Университета ИТМО Михаил Петров. ― В работах последних лет мы на фундаментальном уровне изучили основные аспекты того, как лазерное излучение преобразуется в видимый на наночастицах».Михаил Петров
Для создания прототипа были выбраны нитевидные нанокристаллы из фосфида галлия (GaP). Ученые из Алферовского университета уже давно работают над выращиванием наноструктур из этого материала, имеющего очень интересные оптические свойства.
«В связи с тем, что кристаллическая решетка этого материала нецентросимметрична, он может уменьшать в два раза длину волны падающего на него излучения. Так ИК-свет с длиной волны в 1000 нанометров преобразуется в видимое излучение в 500 нанометров, то есть в зеленовато-голубое.
Этот принцип работает для излучения в широком диапазоне длин волн, что решает первую проблему многих существующих карточек для ИК-визуализации ― их неуниверсальность и спектральную ограниченность», ― отметил старший научный сотрудник лаборатории возобновляемых источников энергии АУ Владимир Федоров.Владимир Федоров. Источник: spbau.ru
«В нашей лаборатории в АУ были выращены нитевидные кристаллы (ННК) фосфида галлия вертикально на подложке, ― рассказывает заведующий лабораторией возобновляемых источников энергии АУ Иван Мухин. ― Затем мы залили их тонким слоем полимера, оторвали его от подложки и получили мембрану, нашпигованную этими наноструктурами. В некотором смысле это совершенно уникальная для РФ технология. Так получилась гибкая, тонкая, полупрозрачная пленка, которая пропускает через себя ИК-луч без существенных искажений, уменьшая его длину волны, делая его видимым для человеческого глаза.
Все эти работы возможны благодаря приличному технологическому оснащению нашей лаборатории».Иван Мухин
Старший научный сотрудник АУ Владимир Неплох добавляет: гибкие оптоэлектронные приборы сейчас крайне актуальны.
«Они находят свое применение не только в ИК-структурах, но и в дисплеях и сенсорных экранах. Мы считаем, что структуры на основе ННК в ближайшем будущем создадут новое поколение устройств и заменят существующие решения», ― говорит он.
Прозрачность пленки имеет очень важное значение. Существующие образцы не пропускают излучение: подобно листку бумаги они полностью преграждают дорогу лучу. Сквозь образец, полученный петербургскими учеными, свет проходит, что делает использование намного проще.
«Настройка оптических систем, юстировка занимает зачастую многие часы, чтобы просто перенаправить луч, а это приходится делать почти каждый день. Часто надо его отразить от нескольких зеркал под определенным углом.
Это очень тонкая настройка. В случае с ИК приходится работать фактически вслепую, ― рассказывает Мария Тимофеева, сотрудник Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich). ― Намного удобнее вести настройку, когда установка включена и мы видим преобразованный луч. Просто поставить непрозрачную карточку не всегда удобно, ведь иногда, настроив один блок установки, надо юстировать другой, желательно контролируя, как в это время идет луч. Таким образом с прозрачной карточкой мы убиваем сразу двух зайцев: мы видим свет и не преграждаем ему путь ― на рынке мы аналогов с подобным характеристиками не встречали. Это важный этап ― переход от фундаментальной работы с одиночными частицами к реальной технологии сантиметрового масштаба».Статья: V.V. Fedorov, A. Bolshakov, O. Sergaeva, V. Neplokh, D. Markina, S. Bruyère, G. Saerens, M.I. Petrov, R. Grange, M. Timofeeva, S.V. Makarov, I.S. Mukhin. Gallium Phosphide Nanowires in a Free-Standing, Flexible, and Semitransparent Membrane for Large-Scale Infrared-to-Visible Light Conversion, ACS Nano, 2020/10.
1021/acsnano.0c04872
К началу
3DNews Технологии и рынок IT. Новости окружающая среда Увидеть инфракрасное излучение невооружё… 08.01.2022 [14:51], Геннадий Детинич Инфракрасное излучение несёт богатую информацию о мире и об объектах в нём, но глаз человека и обычные датчики изображения воспринять её не могут. Тепловизоры способны работать в этом диапазоне, но это сложные, громоздкие и дорогие устройства. Исследователи давно бьются над задачей создать компактные датчики инфракрасного зрения, и новое исследование международной группы учёных готово предложить интересное решение. Источник изображения: Nicolas Antille, Wen Chen, Christophe Galland Глаз и обычные датчики изображения в среднем чувствительны к диапазону частот от 400 до 750 ТГц. Частота электромагнитного излучения и, как частного случая, инфракрасного и видимого света — это фундаментальная характеристика, изменить которую простыми средствами мешает закон сохранения энергии. Просто отразив или пропустив излучение через что-то, частоту повысить нельзя. Необходимо накачать излучение энергией из внешнего источника. Чтобы изображение сохранило информацию и стало видимым, накачивать энергией необходимо каждый пиксель преобразователя и делать это согласованно по всему полю захвата изображения. Международная группа учёных из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL, Швейцария), Уханьского технологического института, Политехнического университета Валенсии и исследовательского центра AMOLF (Нидерланды) предложила молекулярную микроструктуру для прямого преобразования инфракрасного излучения в видимое. Учёные заявляют, что процессы накачки и преобразования происходят согласованно по всей площади датчика изображения, что позволяет наблюдать картину без искажений при преобразовании. Для усиления процесса фокусировки падающего на молекулы излучения учёные придумали систему канавок и наноразмерных частиц из золота. Такие микроструктуры можно представить как пиксели на датчике изображения и получить в итоге датчики для прямого преобразования инфракрасного света в видимый свет. Изобретение найдёт применение не только в компактных тепловизорах. От таких датчиков можно ожидать практической спектроскопии. К примеру, спектрометрами можно вооружить смартфоны и с их помощью определять качество продуктов, свойства биоматериалов или химические составы веществ. Статья об исследовании опубликована в журнале Science. Источник: Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. Материалы по теме Постоянный URL: https://3dnews.ru/1057570/uvidet-infrakrasnoe-izluchenie-nevoorugyonnim-vzglyadom-pomogut-molekulyarnie-datchiki Рубрики: Теги: ← В |
Частота излучения нагретого до 20 °C тела, например, излучает с частотой около 10 ТГц. Казалось бы, достаточно создать устройства с повышением частоты падающего инфракрасного излучения до частот видимого диапазона, и проблема решена. Но не тут-то было!
В этой микроструктуре падающее инфракрасное излучение возбуждает колебание молекул. Одновременно на те же молекулы подаётся лазерный луч более высокой частоты, который доставляет в систему колебаний дополнительную энергию и повышает частоту колебаний молекул до частоты видимого спектра, который фиксируется обыкновенными датчиками изображений.
видимого света — Любое оборудование, позволяющее видеть лазерные лучи, которые не были бы очень заметны невооруженным глазом?
спросил
Изменено
4 года, 7 месяцев назад
Просмотрено
5к раз
$\begingroup$
Может ли такое оборудование, как инфракрасные очки, приборы ночного видения или другое, отображать путь лазерного луча в ситуации, когда лазерный луч не виден невооруженным глазом?
Или, может быть, иметь лазерный импульс на определенной частоте, чтобы сделать его «невидимым»?
- видимый свет
- лазер
$\endgroup$
4
$\begingroup$
Правильно говорит Саймон Б.
:
Лазер видимого света, проходящий через свободный от пыли воздух, будет невидим, потому что его ничто не рассеивает. Инфракрасный лазер был бы невидим, потому что мы не можем видеть инфракрасное излучение.
Луч света невидим, когда он проходит через чистый воздух. Это верно как для обычного (некогерентного) света, так и для лазерного (когерентного) света, а также для видимого света и инфракрасного. Вы можете увидеть луч только в том случае, если он рассеивается на частицах в воздухе, размер которых приблизительно равен длине волны луча. В чистом воздухе частицы представляют собой молекулы порядка $0,1 нм$ в длину, что намного меньше, чем $400-700нм$ для видимого света и $>700нм$ для ИК. Таким образом, рассеяние луча в чистом воздухе фактически отсутствует.
Чтобы увидеть лазерный луч, когда он проходит через воздух, вам нужно ввести более крупные частицы — пыль, дым или аэрозольный баллончик — чтобы рассеять часть света от луча в направлении вашего глаза.
Частицы пыли, как правило, попадают в луч и могут оставаться там в течение нескольких минут. Свет, проходящий через частицы пыли или дыма, с небольшой силой воздействует на наиболее интенсивную область луча.
Длина волны домашней пыли больше, чем видимая длина волны $(500нм)$, поэтому ИК-луч $(\лямбда > 700нм)$ будет больше рассеиваться пылью, дымом или туманом, что можно увидеть с помощью ИК-очков. Однако обычно требуется, чтобы качество воздуха в лазерной лаборатории было намного лучше, чем в доме или офисе.
Будет ли лазер нагревать воздух на своем пути? Если да, то будет ли лазер виден с инфракрасным оборудованием, когда он находится в незапыленной среде?
Нет, лазерный луч не сильно нагревает воздух, через который проходит. Таким образом, вы не сможете увидеть «горячий» луч, используя ИК-очки.
Лазерные лучи обычно видны, когда они рассеиваются от шероховатых (матовых) поверхностей, на которые наведен луч. ИК-лучи просматриваются с помощью фосфоресцирующих карт, которые преобразуют ИК-излучение в видимый свет.
$\endgroup$
1
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но никогда не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
.
энергосбережение — Почему свет этого инфракрасного лазера становится видимым после отражения?
спросил
Изменено
1 год, 7 месяцев назад
Просмотрено
3к раз
$\begingroup$
В нашей лаборатории используется лазер с длиной волны 780 нм, поэтому он работает в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне. Большинство людей не могут видеть эту длину волны света. Однако, когда луч отражается от объекта (см. изображение), свет становится видимым. Это изображение было снято камерой iPhone с плохим (или отсутствующим) ИК-фильтром, хотя свет виден невооруженным глазом.
Было задано несколько связанных вопросов.
Ответ на один из них говорит о том, что при неподвижном объекте отраженный луч должен терять энергию. Так почему же отраженный луч испытывает здесь увеличение энергии?
- видимый свет
- энергосбережение
- отражение
- лазер
- инфракрасное излучение
$\endgroup$
6
$\begingroup$
Вы никогда не увидите луча света сбоку. Вы видите только свет (любой длины волны), идущий прямо в ваш глаз. Когда лазерные лучи иногда появляются в виде видимой линии в воздухе, происходит то, что пыль (и в некоторой степени молекулы тоже) в воздухе рассеивают свет, направляя часть его к вашим глазам. Когда луч попадает на твердый объект, то, если только поверхность не очень плоская (например, точное и чистое зеркало), будет рассеяние под всеми углами, поэтому часть лучей попадет в ваш глаз.
Это тот свет, который вы видите.
В случае инфракрасного излучения чувствительность человеческого глаза не сразу падает при длинах волн более 700 нм; оно низкое, но не равное нулю, а рассеянное излучение лазерного луча часто достаточно яркое, чтобы его можно было увидеть (очевидно, это зависит от интенсивности исходного луча). Я таким образом видел 852 нм, например. Однако, когда вы можете видеть такую длину волны, вы должны быть осторожны: излучение, попадающее в ваш глаз, ярче, чем вы думаете, потому что чувствительность вашего глаза низка, но вы его видите. По этой причине защита глаз особенно важна при длинах волн, выходящих за пределы нормального видимого диапазона.
$\endgroup$
6
$\begingroup$
Я уверен, что никакого преобразования фотонной энергии здесь не происходит.
Особенно вам нужно повышающее преобразование энергии, что очень маловероятно.
Нормальная флуоресценция не может быть здесь причиной. Существуют детекторные карты для преобразования лазерного излучения с повышением частоты, но перед использованием их необходимо «зарядить» солнечным светом. И это совершенно особый материал.
Скорее всего, лазер относительно сильный и чувствительность глаза все еще достаточно высока.
Например: Когда я работал с лазером 762 нм (кислородный диапазон А), я и все мои коллеги могли четко видеть луч (хотя 762 нм уже классифицируются как ИК). Лазер имел мощность ~ 300 мкВт и коллимированный пучок был хорошо виден на листе белой бумаги при дневном свете. При распространении на площади 1 см луч был хорошо виден при свете.
Несмотря на то, что 780 нм определенно дальше в ИК-диапазоне, чем 760 нм, ваш лазер может быть более мощным, и глаз все еще может видеть луч.
Но луч, вероятно, будет намного мощнее, чем предполагает воспринимаемая яркость.
$\endgroup$
4
$\begingroup$
Остальные ответы совершенно верны, если предположить зеркальное (зеркальное) отражение, то есть упругое рассеяние (при этом энергетический уровень фотонов почти не меняется).
Но есть еще один случай, который я хотел бы, чтобы вы рассмотрели, это диффузное отражение и переизлучение поглощения.
Диффузное отражение — это отражение света или других волн или частиц от поверхности, при котором луч, падающий на поверхность, рассеивается под многими углами, а не только под одним углом, как в случае зеркального отражения.
Но приведенная выше схема продолжает действовать и в том случае, если материал впитывающий. В этом случае рассеянные лучи при блуждании в материале теряют часть длины волны и становятся окрашенными.
https://en.wikipedia.org/wiki/Diffuse_reflection
Теперь самое важное в вашем случае заключается в том, что поверхность на изображении не только вызывает зеркальное отражение, но и рассеивает его. Это означает, что:
отражает некоторые фотоны в случайных направлениях
он не только упруго рассеивает, но и поглощает часть фотонов, и переизлучает их на разных (в вашем случае видимых) длинах волн.
Это ответ на ваш вопрос. Да, некоторые фотоны действительно могут получать энергию, и от падающей длины волны ИК-излучения они переизлучаются в виде длины волны видимого света, и именно эти фотоны вы видите невооруженным глазом.
Это ответ на ваш вопрос. Да, некоторые фотоны действительно могут получать энергию, и от падающей длины волны ИК-излучения они переизлучаются в виде длины волны видимого света, и именно эти фотоны вы видите невооруженным глазом.В некоторых случаях при интенсивном освещении один электрон может поглощать два фотона, что позволяет испускать излучение с более высокой энергией фотона (с более короткой длиной волны), чем поглощенное излучение
https://en.wikipedia.org/wiki/Fluorescence
Вопрос интересный, и единственный способ проверить это — сделать это с разными объектами. Если сам лазер невидим невооруженным глазом (действительно инфракрасный, а не в видимом диапазоне), но если посветить лазером на стену или другие объекты, точка может стать видимой из-за диффузного отражения и поглощения переизлучения , где некоторые фотоны переизлучаются в видимом диапазоне (можно даже флуоресценцию делать).
$\endgroup$
3
$\begingroup$
Вы видите свет, потому что его частота или длина волны, если уж на то пошло, видны вашему глазу, а не потому, что он каким-то волшебным образом увеличивает свою энергию.