книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

который в результате заряжается положительно.Наличие плёнки окис- ла на поверхности металла способствует образованию полупроводни- кового вещества, создающего запирающий слой, пропускающий элек- троны,выделяемые из металла,и препятствующего их возвращению.

Такая поверхность имеет техническое преимущество перед сво- бодной чистой поверхностью.

Использование полупроводников (кремния, германия) позволя- ет превращать в электрический ток довольно значительные количе- ства световой энергии (солнечные батареи). Фотоэлементы способ- ны выполнять автоматически множество сложных операций (счёт, пуск в ход или остановку). Фототок пропорционален световому по- току (числу квантов), что используется в устройствах фотометрии. Этот физический эффект определяется также как процесс выбивания электронов из атомов кристаллов (внутренний фотоэффект). При облучении атомов кристаллов электроны переходят из связанного со- стояния в свободное,что приводит к изменению электропроводности облучаемого вещества.

Учёные Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе (СанктПетербург) с коллегами из исследовательского центра DESY (Гамбург) с помощью лазера на свободных электронах изучали фотоэлектри- ческий эффект при большой интенсивности излучения. Источником подводимой энергии был ультрафиолетовый лазер на свободных электронах с длиной электромагнитной волны 13,3 нм в коротковол- новой части ультрафиолетового диапазона. Луч большой интенсив- ности создавали с помощью многослойных сферических зеркал путём фокусировки луча на сосуде с газообразным ксеноном в пятно разме- ром 3 × 350 мкм.Это позволило достигнуть рекордной для ультрафио- летового диапазона интенсивности излучения порядка 1016 Ват/см 2. С помощью неё определялась зависимость величины фотоэффекта от мощности излучения.

Обнаружилось, что под действием такого излучения из атома ксе- нона (Xe) выбивалосьдо 21 электрона,что составляетболеетрети всех электронов у него имеющихся (всего 54). То есть, вбрасывание кон- центрированной электромагнитной энергии освобождает большое количество электронов и не позволяет им возвратиться обратно, что компенсируется большей степенью ионизации ядер атомов ксенона. Потенциал ионизации ксенона составляет 12,1 эВ, что ниже, чем у во- дорода и гелия.Техническое преимущество в результате большей сте- пени ионизации газообразного ксенона может найти практическое применение,например,вплазменныхэлектрореактивныхдвигателях как более эффективное топливо для космических аппаратов.

Свет не только отражается от некоторых тел, но и заставляет их светиться. Свечение или люминесценция тел под действием света

220

содержит волны большей длины (меньшей частоты и энергии), чем возбудивший её свет (правило Г. Стокса). Это заметно по изменению цвета свечения в сравнении с цветом возбуждающего света. Приме- нение источников света, содержащих значительное количество уль- трафиолетовых излучений, показывает, что почти все тела способны более или менее люминесцировать.

Усиление люминесценции можно достигнуть при охлаждениитела до температуры жидкого воздуха.

Свечение, прекращающееся вместе с возбуждающим освещени- ем, называют флюоресценцией, а имеющее заметную длительность (послесвечение) — фосфоресценцией (деление условно без заметной границы). Раствор флюоресцеина (красителя, органического соеди- нения C20H12O5) при освещении фиолетовым светом люминесциру- ет зелено-жёлтым светом. Экраны, покрытые фосфоресцирующим веществом (сульфидом цинка или сернистым цинком), светятся 2 ÷ 3 минуты после освещения. Слой платиносинеродистого бария начи- нает фосфоресцировать после предварительного облучения видимым или ультрафиолетовым светом, а так же при каждом импульсе рент- геновского излучения. Фосфоресцирующие вещества определённого состава в соответствие с правилом Стокса преобразуют опасный для глаз ультрафиолетовый (коротковолновый) свет в благоприятный видимый свет близкий по спектральному составу к дневному све- ту (применяются в газоразрядных лампах дневного света, в экранах электроннолучевых трубок).

Люминофоры (с лат. люмин — «свет» и греч. форос — «несущий») (фосфоры, органолюминофоры) — это вещества (твёрдые и жидкие), способные люминесцировать,то есть преобразовывать поглощаемую энергиювсветовоеизлучение.Используютсяонивмедицине(экраны рентгеновских аппаратов), в окрашивании, для выявления дефектов литья и сварки, при люминесцентном анализе в химии, в биологии, криминалистике. Способность следов нефти к флюоресценции ис- пользуется при нефтеразведке.

Визобретении а. с. 277805 на «Способ обнаружения неплотностей

вхолодильных агрегатах» в агрегат домашнего холодильника вместе с маслом вносят микродозу люминофора (0, 012 г). После нескольких минут работы и перемешивания масла с фреоном агрегат помещают

взатемнённое помещение и освещают ультрафиолетом.Места утечек (неплотностей) обнаруживаются по свечению люминофора.Так обна- руживаются наружные признаки утечки, когда невозможно это сде- лать изнутри.

На международной космической станции (МКС) обнаружить ме- сто утечки подобным образом не удастся — очень велика поверхность космического аппарата и вокруг космос. Сделать это возможно только

221

изнутри, не смотря на то, что внутреннее пространство станции бук- вально забито разного рода аппаратурой. Нужный способ нашёлся, он оказался довольно экзотичным, но очень эффективным. Космонавт простовысыпалчаинкиизпакетикаввоздушнуюсредукорабля.Благо- даря невесомости при выключенной вентиляции чаинки устремились кместуутечки,осталосьлишьнайтиместоихконцентрации.Устранить утечку уже не представлялотруда,достаточно было заклеитьтрещинку специальным скотчем,чтобы затем заделать её снаружи.

В изобретении а. с. 269170 на «Способ получения люминесцирую- щей карты» обычная люминесцирующая топографическая карта при- обрела свойство быть стереоскопической, которую при ультрафио- летовом облучении можно рассматривать через специальные очки. Вначале на карту наносят фоновые нелюминесцентные видимые эле- менты изображения, затем наносят видимые люминесцентные кра- ски нескольких цветов для одного сопряжённого изображения (сте- реограммы), а затем наносят невидимую (белую) люминесцентную краску для другого сопряжённого с ним изображения соответствую- щего цвета при облучении ультрафиолетом. Картой можно пользо- ваться как стереоскопической с применением специальных очков, и как обычной картой,то есть визуально без очков.

Известно множество типов люминесценции. Хемилюминесценция —этосвечениетел,вызванноехимическим

воздействием (например, свечение фосфора при медленном окисле- нии), или при протекании химической реакции. Хемилюминесцен- ция связана с экзотермическими (тепловыделяющими) химическими процессами. Хемилюминесценция, протекающая в живых организ- мах (свечение насекомых,червей,рыб,гниющего дерева),называется биолюминесценцией и связана с окислительными процессами.Хеми- люминесценцией,кактехническим преимуществом,пользуются в ав- тономных химических источниках света, химических лазерах.

Химическое действие света играет главную роль в «круговороте углерода» на Земле.Окисление углерода до углекислого газа (CO2) при дыхании всех живых существ высвобождает энергию для их жизни. Обратный процесс расщепления углекислого газа осуществляется фотохимическим способом (с помощью фотосинтеза) и происходит он в зелёных частях растений, где углерод используется для строи- тельства тела растений (исследовано К. А. Тимирязевым). Хлорофилл растений, дающий зелёный окрас листьев, под действием преимуще- ственно красного участка спектра солнечного света способствует ак- тивномупоглощениюуглеродаивысвобождениюкислородатакнеоб- ходимого для дыхания.

Фотохимический процесс лежит в основе фотографии. Под дей- ствием света молекулы бромистого серебра (AgBr) распадается, вы-

222

деляя металлическое серебро в виде мельчайших частичек, которые затем темнеют. Фотография используется для наблюдения за небес- ными объектами, посылающие очень слабый поток световой энер- гии или невидимый (рентгеновский, ультрафиолетовый или инфра- красный) свет. Фотохимические процессы происходят в сетчатке глаз человека и животных. Свет поглощается светочувствительны- ми веществами, имеющимися в палочках (родопсин) и в колбочках (иодопсин) сетчатки. Продукты разложения этих веществ вызывают раздражение зрительного нерва, формирующего электрические им- пульсы,идущие в головной мозг и дающие ощущение света.Картина фотохимических процессов на сетчатке является в точности проек- цией того изображения внешних освещённых предметов, которое падает на сетчатку.

В нормальных условиях мы пользуемся двумя глазами (биноку- лярным зрением, у насекомых, например, многоглазовое зрение), благодаря чему обладаем стереоскопическим (с греч. «плотный», «пространственный») зрением. Оно даёт возможность оценивать расстояниедо рассматриваемого объекта,судитьо глубине (перспек- тиве), рельефности и объёмном распределении деталей рассматри- ваемого объекта. Лучи, идущие от удалённого точечного источника света в оба глаза, образуют угол, который пропорционален расстоя- нию между глазами (базе) и обратно пропорционален расстоянию до источника света. Однако, при больших расстояниях до источника света, ощущение глубины пространства теряется. Поэтому, в опти- ческих приборах (биноклях, стереотрубах) расстояние между при- ёмными объективами делается значительно больше, чем расстояние между глазами. Такое увеличение базы приводит к увеличению угла наблюдения,благодаря чему многократно возрастает ощущение глу- бины пространства.

Для получения стереоскопических изображений делается пара снимков объекта с разных точек некоторой базы. Расположив их так, что один глаз видит один снимок (например,правый),а другой —вто- рой снимок (например,левый),то наблюдатель с некоторого расстоя- ния зрительно объединит оба снимка и увидит объёмное, рельефное изображение объекта, подобное истинному изображению. Для изуче- ния таких снимков используют специальный прибор, названный сте- реоскопом (оптический прибор, в котором два плоских изображения предмета, полученных с разных ракурсов сливаются в одно объемное изображение). Принцип его работы основан на использовании бино- кулярногозрениячеловека,онимеетсдвоеннуюконструкцию,каждая из которых предназначена для одного из глаз наблюдателя. Стерео- скоп в криминалистике даёт возможность выявлять подделки ценных бумаг,денег и других документов.

223

В изобретении а. с. 350219 на «Способ контроля печатных плат» контроль качества сверловки печатных плат осуществляется визуаль- но путём стереоскопического совмещения эталонной и контролируе- мой плат.

Устройство для стереоскопи- ческого контроля (а. с. 296298) упрощённо напоминает бинокль, в котором вместо приёмных объ- ективов установлены эталонная и контролируемая платы (рисунок слева).

Эталонную и контролируемую платы освещают не дневным (бе- лым) светом, а разными цветами из спектра белого света (напри- мер, красным и синим). При их

совмещении оператор видит третий цвет (в данном случае — фио- летовый), который указывает на правильность и точность сверловки платы. Появление одного из совмещаемых цветов указывает на от- сутствие необходимых отверстий или на наличие лишних отверстий в контролируемой плате.

Палочки сетчатки глаза более чувствительны (и относятся к су- меречному зрению), а колбочки — менее чувствительны (приспосо- блены для интенсивного света) и способны воспринимать цветовое различие. Палочки, действующие в сумерках (когда колбочки не ра- ботают), не дают цветового различия (ночью все кошки серые). При резком переходе к яркому свету происходит временная потеря зре- ния вследствие инерции переключения зрения с палочек на колбочки (например, случается временное ослепление от света фар встречного автомобиля).

Защита зрения от интенсивного света и многое другое стало воз- можным благодаря основному свойству всех электромагнитных волн,

втом числе и световых — они поперечны. Естественный свет — это электромагнитные волны видимого диапазона, у которых попереч- ные колебания напряжённости электрического поля поворачиваются

впространстве случайным образом, неупорядоченно. Чтобы светом можно было управлять и получить техническое преимущество, его следует упорядочить или поляризовать.

Для преобразования неупорядоченной световой волны в колеба- ния одного направления или в линейно-поляризованную волну при- меняют оптические поляризаторы.

Кприродным поляризационным материалам, имеющим оптиче- скую анизотропию (неодинаковостью физических свойств по различ-

224

нымнаправлениям),относяттурмалиниисландскийшпат,изкоторых изготавливают поляризационные пластинки и призмы.Из турмалина вырезают прямоугольные пластинки, одна из сторон которой совпа- дает с определённым направлением структуры внутри кристалла, на- зываемой оптической осью,благодаря которой из всех возможных на- правлений поперечных колебаний световой волны отбирается только одно, определяемое её ориентацией. Большинство кристаллов, в том числе исландский шпат,пропускает одновременно два луча света,по- ляризованные в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что требует их отделения друг от друга. Только турмалин поглощает один из лучей настолько, что пластинка толщиной 1 мм пропускает толь- ко один луч,поляризованный в одном направлении (то есть,обладает дихроичностью). Поляризаторы это по существу поляризационные фильтры, которые применяются и в быту и в стереокино. Искусствен- ные поляризаторы изготавливаются из полимерных плёнок имеющих длинные молекулы, ориентированные в одном направлении, наподо- бие забора с множеством параллельных щелей. Модель в виде забора с множеством параллельных щелей даёт представление о принципе получения поляризационных материалов.

Две одинаковые пластины турмалина или пластика от поляри- зованных очков фирмы «Polaroid», сложенные вместе, практически прозрачны для света. Однако при повороте одной из них на 90 0 па- кет пластин становится чёрным, непрозрачным. Принцип получения эффекта прозрачности и непрозрачности в заданной точке светового потока с помощью поворота одной из пары пластин поляризаторов на 90 0 используется в устройствах оптических затворов.

Принципоптическогозатвораможетприменятьсядлязащитыглаз водителей транспортных средств от ослепляющего света фар встреч- ных транспортных средств. Предлагается на ветровое стекло и фары автомобилей нанести пластик поляроидов с углом пропускания све- та 45 0 в одну произвольно выбранную сторону. Водитель будет хоро- шо видеть дорогу и встречные машины, освещённые собственными фарами. В то же самое время у встречных автомобилей поляроиды на стекле и фарах окажутся под углом 90 0 с поляроидами первого ав- томобиля, в результате чего свет фар от первого автомобиля для во- дителей встречных машин погаснет и будет не виден.

В зазоре между пластинами поляроидов допускается размеще- ние специального оптического элемента, который способен повора- чивать плоскость поляризации. Он даёт техническое преимущество в быстродействии. Такой электрооптический модулятор (с лат. «со- блюдающий ритм») света действуетна эффекте Поккельса (или на ли-

нейно электрооптическом эффекте). Очки на таком эффекте обла-

дают практически мгновенной (менее 50 мкс) реакцией на быструю

225

и яркую вспышку, например, при электросварке. Устроены очки сле- дующим образом.Светот яркой вспышки поступаетна миниатюрные фотоприёмники (фотодиоды), которые подают электрический сигнал на оптический элемент.Под действием этого сигнала очки мгновенно становятся непрозрачными.Интенсивность света у такого электрооп- тического модулятора меняется с частотой приложенного напряже- ния и может прерывать свет до миллиарда раз в секунду.

Для сравнения в изобретении а. с. 163487 на «Способ перекрытия светового пучка» с помощью взрывного затвора, прекращение за- свечивания светочувствительного слоя обеспечивается жидкостным «султаном» (выбросом жидкости), возникающим при взрыве или ис- кровом разряде в жидкости, помещённой между двумя защитными стёклами. Её свободная поверхность в спокойном состоянии лишь ка- сается светового канала оптической системы. «Султан» — это непро- зрачная среда, образующаяся в результате кавитации жидкости при взрыве.Времяперекрытиясветазависитотначальнойскоростиподъ- ёма«султана»иразмерасечениясветовогоканала.Времясуществова- ния «султана» зависитотмощности взрыва и глубины его осуществле- ния в жидкости.

Визуализация передаваемой информации часто производится

втабло, информационных картинах, мониторах с помощью жидких кристаллов — веществ совмещающих свойства твёрдых кристаллов и жидкостей, имеющих жидкокристаллическое состояние. Молекулы жидкихкристалловвэлектрическомполеповорачиваются,по-разному отражают и меняют коэффициент светопропускания (например, в сте- клах окна). Жидкокристаллические мониторы (экраны) действуют на основе обработки поляризованного света. Схематично они состоят из пары поляроидов, имеющих противоположные направления про- пуска колебаний линейно-поляризационной волны, и размещённого

взазоре между ними жидких кристаллов, меняющих свою структуру под действием электрического потенциала.От подсветки луч света по- ступает вначале на первый поляризационный фильтр, устанавливаю- щий, например, вертикальное направление колебаний напряжённости электрического поля световой волны. Затем, световой поток проходит стёкла с прозрачными электродами, между которыми помещены соб- ственно жидкие кристаллы, и выходит, пройдя второй конечный по- ляризационный фильтр, который устанавливает уже горизонтальное направление колебаниям напряжённости электрического поля. Пода- вая электрический потенциал на электроды, меняется структура жид- ких кристаллов,благодаря чему свет поворачивается так,чтобы он мог пройти конечный поляризатор,и отобразить информацию.

Процесс распространения света представляется как сложная ин- терференция. Основные законы геометрической (лучевой) оптики

226

(законы прямолинейного распространения, преломления, отраже- ния света) могут быть истолкованы с помощью волнового принципа Гюйгенса–Френеля. Известно, что изменение напряжённости элек- трического тока в одной точке пространства вызывает в соседних точках появление переменного магнитного поля, изменение кото- рого в свою очередь порождает меняющееся электрическое поле. Гюйгенс описывал этот процесс геометрическим способом (принцип Гюйгенса). Каждая точка пространства, до которой доходят световые колебания, сама становится источником световых колебаний (вто- ричных сферических волн). Таких точек на пути света бесконечное множество,которые распространяются по всем направлениям (в виде волнового сферического фронта). Получалось, что свет может запол- нить всё пространство подобно воде. Однако этого не происходит. Объяснение этого явления заключается в тщательном учёте влияния всех волн. На каждом гребне световой волны находятся бесконечное количество точек, и каждая из них действительно является источни- ком микроскопической круговой волны. Через очень короткий про- межуток времени (почти мгновенно) в большинстве точек простран- ства эти волны,сложившись,погасятдругдруга и только чуть впереди по ходу начальной волны микроволны взаимно усилятся (взаимная интерференция по Френелю или правило построения огибающей вол- ны). Это и есть новое положение движущейся световой волны. Фронт этой волны простирается во все стороны, если нет препятствий или ограничений. Встречая препятствие, волны как бы «затекают» за него и там, где должна была быть густая тень, появляется немного света. Это явление, известное как способность света обтекать препятствие, названо дифракцией. Следовательно, дифракция это одно из прояв- лений интерференции или взаимного сложения множества самостоя- тельно распространяющихся световых волн.

Визуальность дифракции зависит от длины световых волн. Длина световых волн очень мала по сравнению с размерами обычных пред- метов. Зато в микромире она становится существенной. Объекты ме- нее длины волны легко обтекаются светом и визуально, оказывается, что их просто нет.

В явлении дифракции происходит и разложение сложного све- та, каким является естественный белый свет. Для осуществления та- кой дифракции используют дифракционные решётки (пластинки с очень узкими прозрачными полосками, разделённые штрихами, до 1200 штрихов на 1 мм или с периодом около 0,8 микрон). Дифрак- ционная решётка применяется как спектральный прибор и может ис- пользоватьсядлянаиболееточногоизмерениядлинысветовойволны: длина волны пропорциональна периоду решётки или сумме прозрач- ной и непрозрачной полос. Период решётки около 0,8 микрон позво-

227

ляет разворачивать белый свет на полосы от фиолетового (с длиной волны около 4000 ангстрем или 400 нм) цвета к красному (с длиной волны около 7000 ангстрем или 700 нм). Все остальные цвета радуги находятся в этих пределах.

Механизмполучениявсехцветоврадугидействуетвинтерфероме- тре или эталоне Фарби–Перо —приборе французских физиков Шарля Фарби и Альфреда Перо, 1899 г.

Прибор схематично содержит резонатор образованный двумя па- раллельными отражающимися зеркальными поверхностями П1 и П2. Свет, входя в резонатор, проходит через верхнюю полупрозрачную поверхность и отражается от нижней поверхности, затем, отражает- ся от верхней поверхности и падает на нижнюю поверхность и так до бесконечности. Небольшая часть светового потока при отражении от верхней поверхности выходит из резонатора наружу. В процессе всех этих отражений большинство волн ослабевает и гаснет благодаря явлению интерференции, а волны, длина которых точно укладывает- ся в целое число раз на расстояние (h) между отражающимися поверх- ностями, усиливаются (так формируется стоячая оптическая волна).

Техническим преимуществом интерферометра Фарби–Перо явля- ется его светосила, превышающая в сотни раз светосилу дифракци- онного спектрометра при равной разрешающей способности. При- меняется он в метрологии для сравнения длины волны излучения эталонного источника с длинами других спектральных линий,атакже используется как резонатор в лазерах.

Эталон Фарби-Перо работает как двойное зеркало, отражающее светтолько одной длины волны или одного цвета.Цвет на таком при- боре легко подобрать, изменяя расстояние между зеркалами, то есть он пригоден для измерения и управления длинами световых волн.

Если эталон Фарби–Перо уменьшить до микроскопических раз- меров, а, затем, миллионы таких микроскопических устройств рас-

228

положить на поверхности небольшого экрана группами, образующие элементы изображения (пиксели), то получиться дисплей с высоким разрешением.Подобные структуры уже созданы природой и существу- ют. Естественные наноструктуры на крыльях тропических бабочек пе- реливаются всеми цветами радуги при ярком солнечном свете и пред- ставляют собой микроскопические интерферометры Фарби-Перо.

Дисплей, содержащий систему искусственных микро интерферен- ционных модуляторов, обладает яркими цветами хорошо видимого изображения при ярком дневном свете, что придаёт новый смысл выражению «эффект бабочки». Такой дисплей только отражает па- дающий свет, как отражают крылья тропической бабочки. Он эко- номней расходует электроэнергию, что очень важно для мобильных устройств.

Полноценный пиксельсостоитиз системы красного,зелёного и си- него субпикселей. Каждый субпиксель в свою очередь состоит из двух рядовэлементарныхячеекпосемьштуквкаждомряду.Всёэтовместе образует полноценный пиксель цветного микро интерферометриче- ского модулятора удисплея.Цвети яркостьполноценного пикселя за- висит от числа и цветов активированных элементарных ячеек. Цвет каждой ячейки определяется величиной промежутка между отражаю- щими поверхностями. Элементарная ячейка или излучает один цвет, или становится чёрной.Чёрная элементарная ячейка этота же ячейка, но в ней существенно уменьшен промежуток между отражающими- ся поверхностями с помощью микро импульса напряжения, поэтому длины волн падающего света смещаются в невидимую ультрафиоле- товую область спектра, от чего ячейка визуально для нас кажется чёр- ной. Чтобы элемент изображения (пиксель) можно было выключить, нижний отражающий слой выполняется гибким. Если приложить к отражающим слоям микро импульс напряжения, то под действием электростатического притяжения нижний слой изогнётся вверх и су- щественно уменьшит расстояние между слоями.

Как известно,в жидкокристаллическом дисплее электричество ри- сует веществом изображение, которое поглощает видимый свет и мы видим изображение. На предложенном выше дисплее изображение фактически излучающее, яркое, как видимый свет, ибо само изо- бражение и есть отражённый видимый свет. Это позволяет получить существенную экономию электроэнергии, так как падающий и от- ражённый свет практически ничего не стоят, и при этом отказаться от «чернения» дисплея.

Цветные интерференционные дисплеи пригодны для применения от сотовых телефонов до мониторов и телевизоров.

Если энергия света будет поступать не извне, а образовываться и излучаться внутри зеркального промежутка, например, в результа-

229