СПОСОБ ПРОВЕРКИ ПОДЛИННОСТИ БАНКНОТ, ЦЕННЫХ БУМАГ И ДОКУМЕНТОВ
METHOD OF AUTHENTICATING BANKNOTES, BOND PAPER AND DOCUMENTS

Изобретение относится к области защиты банкнот, ценных бумаг и документов с нанесенными метками подлинности, содержащими нанокристаллы алмазов с активными центрами азот-вакансия (NV-центрами), и может быть использовано для проверки подлинности указанных объектов, в том числе в системах их массового автоматизированного контроля.
Уровень техники
Известен патент [1], в котором подлинность документов предложено проверять по регистрации флуоресценции или фосфоресценции введенных в печатную жидкость кристаллических твердых частиц со средним диаметром менее 300 нм. В названном патенте предлагается большое число веществ, которые могут быть использованы в качестве добавок-люминофоров в составе указанных наночастиц. Недостатком такого способа является возможность имитации спектров флуоресценции и фосфоресценции с помощью других веществ.
В настоящее время известен один способ проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов по наличию меток подлинности, содержащих нанокристаллы алмазов с активными центрами азот-вакансия (NV-центрами) [2], включающий зондирование наличия указанных меток действием лазерного излучения оптического диапазона и совместным действием электромагнитного излучения оптического и СВЧ-диапазонов и измерения различия сигналов флуоресценции от указанных объектов проверки, регистрируемого в указанных двух случаях, который выбран в качестве прототипа данного изобретения.
Недостатком указанного способа-прототипа является недостаточная полнота операций указанного зондирования и измерения указанного различия, что может снижать качество указанной проверки.
Раскрытие изобретения
Целью данного предлагаемого изобретения является устранение указанного недостатка и повышение качества проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов по наличию меток подлинности, содержащих нанокристаллы алмазов с активными центрами азот-вакансия (NV-центрами). Указанная цель достигается в данном изобретении за счет того, что в известном способе проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов по наличию меток подлинности, содержащих нанокристаллы алмазов с активными NV-центрами, включающем зондирование наличия указанных меток действием лазерного излучения с длиной волны в диапазоне 510-540 нм (например, излучением второй гармоники неодимового лазера) и совместным действием указанного лазерного излучения и СВЧ-излучения, резонансного расщеплению основного состояния NV-центра, и измерения различия сигналов флуоресценции от указанных объектов проверки, регистрируемых в указанных двух случаях, объект проверки подлинности перемещают по зоне контроля так, что место на проверяемом объекте, соответствующее расположению метки подлинности на подлинном объекте, оказывается под действием указанного лазерного излучения в течение отрезка времени, определяемого формулой: (D+d)/V, где D и d соответственно характерные размеры указанной метки и сечения пучка указанного лазерного излучения плоскостью указанного объекта проверки подлинности, а V - скорость перемещения указанного объекта, мощность указанного СВЧ-излучения в указанном месте объекта проверки гармонически модулируют с такой частотой, чтобы в течение указанного отрезка времени действия указанного лазерного излучения проходило несколько периодов указанной модуляции СВЧ-излучения, регистрируют при этом временную зависимость мощности флуоресценции от объекта проверки, выделяют составляющую мощности флуоресценции, вызываемую указанной модуляцией мощности СВЧ-излучения, измеряют величину указанной составляющей, применяя метод синхронного детектирования [3] с постоянной времени интегрирования, примерно равной указанному отрезку времени, и по измеренной таким образом величине указанной составляющей, сравнивая ее с фоновым сигналом, получаемым до и после прохождения метки под пучком лазерного излучения, устанавливают, является ли подлинным данный объект контроля, и за счет того, что выбирают указанный характерный линейный размер d сечения потока лазерного излучения, либо, примерно, на порядок величины меньший, чем указанный характерный линейный размер D метки подлинности, либо примерно, равный указанному размеру D, и за счет того, что применяют указанное СВЧ электромагнитное излучение с полосой частот f=(2,869±Δf) ГГц при полуширине полосы частот Δf, лежащей в диапазоне от 0,001 ГГц до 0,3 ГГц.
Описание предлагаемого способа
На чертеже изображена схема энергетических уровней активного NV-центра в трехуровневой модели, где:
3
А - основное состояние,
3
E - возбужденное состояние,
1
A - метастабильное s-состояние,
n1, n2, p1, p2 - соответственно подуровни основного и возбужденного состояний с квантовыми числами m=0, ±1.
На указанном чертеже стрелками указаны излучательные и безызлучательные переходы между указанными подуровнями.
Для упрощения восприятия при качественном рассмотрении относительное расположение энергетических уровней на указанном чертеже дано с нарушением масштаба.
3
3
3
3
3
3
1
3
3
3
3
3
Под действием указанного лазерного излучения происходят оптические переходы между основным уровнем A и возбужденным Е. (См., например, [3]). Каждый из этих двух уровней расщеплен на три с проекцией спина на ось NV- центра m=0, 1 и -1. B слабом магнитном поле (поле Земли) подуровни m=±1 вырождены. Подуровень m=0 в основном состоянии отстоит от подуровней m=±1 на энергию кванта, соответствующего частоте 2,88 ГГц. Оптические переходы, вызывающие поглощение и связанные со спонтанным излучением, происходят с сохранением m. Коэффициенты поглощения одинаковы для всех переходов. При этом за поглощением оптического кванта только при переходе Am=0→Em=0 c высокой вероятностью следует обратный переход со спонтанным излучением. При возбуждении же переходов Am=±1→Em±1 только часть NV-центров возвращает энергию в виде спонтанного излучения. Остальная часть передает энергию фононам решетки при безызлучательных переходах через промежуточный уровень A, переводя в результате центры из состояния Am=±1 в состояние Am=0. Обратного процесса поглощение света не вызывает. Таким образом, оптическая накачка NV-центров приводит к тому, что часть их перекачивается на подуровень Am=0, вклад безызлучательного канала уменьшается и сигнал флуоресценции вырастает. При включении СВЧ-излучения, резонансного с переходом между подуровнями основного состояния, происходит возврат части центров на уровни Am±1, эти центры при поглощении света переводятся на уровни Em=±1, и снова часть энергии уходит по безызлучательному каналу. Мощность флуоресценции уменьшается.
Таким образом, при проверке подлинности указанных объектов проверки устанавливают, имеет ли место двойной радио-оптический резонанс, т.е. интенсивность флуоресценции, во-первых, зависит от оптической частоты излучения накачки (первый резонанс) и, во-вторых, от частоты СВЧ-излучения (второй резонанс). При этом отношение сигнала к шуму и, соответственно, надежность регистрации существенно увеличиваются при переходе от однократного включения-выключения СВЧ-поля к периодической модуляции и синхронному детектированию.
Нами было экспериментально установлено, что, если за время воздействия на метку лазерного излучения накачки производят несколько циклов включения-выключения (модуляции) указанного СВЧ-излучения, синхронно детектируют переменную составляющую сигнала мощности флуоресценции, вызванную указанной модуляцией, интегрируя по времени указанного воздействия, то на подлинном объекте проверки ее возможно уверенно зарегистрировать. Мы также показали, что при необходимых для проверки подлинности указанных объектов мощностях накачки и СВЧ-излучения изменение мощности флуоресценции метки от мощности СВЧ-излучения имеет линейный характер. Поэтому возможно применять гармоническую модуляцию мощности СВЧ-излучения. А так как это приводит к гармоническому изменению сигнала флуоресценции, то применять гармоническую модуляцию мощности СВЧ-излучения с оптимально подбираемой частотой целесообразно, поскольку в этом случае существенно сужается полоса частот регистрируемого сигнала составляющей мощности флуоресценции метки, вызванной указанной модуляцией СВЧ-излучения, и, соответственно, растет отношение сигнал/шум.
Уверенную регистрацию обеспечивают при этом тем, что выделяют указанную составляющую сигнала из общего сигнала мощности флуоресценции (в простейшем случае, например с помощью разделительного конденсатора, что может быть выполнено после усиления зарегистрированного общего сигнала) и далее измеряют величину указанной составляющей мощности флуоресценции, вызванной указанной модуляцией СВЧ-излучения, с помощью метода синхронного детектирования, при применении которого умножают указанную выделенную составляющую сигнала, носящую характер гармонических колебаний частоты, равной частоте модуляции СВЧ-излучения, на гармонический сигнал такой же частоты (опорный сигнал).
2
Поскольку в общем случае при оптимальном сдвиге фаз указанное произведение пропорционально всегда положительной функции sinωt, то после указанного умножения для измерения вызванной указанной модуляцией СВЧ-излучения величины указанной составляющей мощности флуоресценции применяют интегрирование последней по всему указанному отрезку времени действия указанного лазерного излучения на указанную метку. При этом целесообразно выбрать постоянную времени интегрирования примерно равной отрезку времени действия лазерного излучения на метку подлинности. В простейшем случае это делают, например, с помощью RC-цепи с определенной постоянной интегрирования. Отметим специально, что при увеличении времени интегрирования до величины большей, чем указанная постоянная интегрирования, вклад начальной части сигнала указанной составляющей уменьшается, а при уменьшении времени интегрирования уменьшается сам результирующий сигнал, т.к. интегрирование идет по уменьшающемуся интервалу времени. Поэтому указанную постоянную интегрирования выбирают примерно равной указанному времени воздействия указанного лазерного излучения на метку подлинности объекта контроля. Такой выбор обеспечивает оптимальное сужение полосы Фурье - компонент частотного диапазона регистрируемого сигнала, снижая уровень шумов.
1
В нашем случае из-за специфики физических процессов в NV-центрах нанокристаллов алмаза, в частности, например, определенного времени жизни метастабильного состояния А, а также конечного значения времени процессов в электронике изменение мощности флуоресценции метки отстает по фазе от изменения мощности СВЧ-излучения. Потому указанное умножение при синхронном детектировании выполняется с соответствующим сдвигом фаз.
При скоростной проверке подлинности, например, банкнот, на одну банкноту отводится, примерно, 100 мс или менее, объект проверки при этом движется со скоростью перемещения V, равной 10 м/с или более, а метка подлинности при ее приемлемом характерном размере D, равном 1-2 мм, находится в зоне действия лазерного излучения накачки не более 100 мкс, так что многократная модуляция интенсивности СВЧ-излучения за указанное время возможна при ее частоте 50 кГц или более.
Возможны различные соотношения характерных размеров указанной метки и указанного сечения потока лазерного излучения. Одним из предпочтительных вариантов является такой, при котором размер указанного сечения примерно на порядок величины меньше размера метки, а другим предпочтительным вариантом является такой, при котором размер указанного сечения примерно равен размеру метки. Первый из указанных вариантов применяют в случае, когда разброс положения метки в результате дрожания объекта контроля при движении существенно меньше размера метки, а второй вариант применяют в случае, когда указанный разброс, будучи меньше размера метки, близок к последнему.
Нами также экспериментально установлено, что в случае применения СВЧ электромагнитного излучения с полосой частот 2,869±0,15 ГГц эффект уменьшения флуоресценции больше, чем при применении резонансной частоты 2,88 ГГц той же мощности. Мы полагаем, что указанный эффект связан с тем, что энергетические уровни активных NV-центров уширяются, если вблизи в нанокристаллах алмаза находятся N-центры. Причем, чем больше концентрация последних, тем указанное уширение больше. Однако при уширении более чем на энергию квантов в пределах полосы частот СВЧ-излучения 2,869±0,3 ГГц, уровни с m=0 и m=±1 начинают перекрываться и, вследствие этого, эффективность применения предлагаемого способа снижается.
Пример реализации данного изобретения
-2
2
1
3
Предложенный в данном изобретении способ проверки подлинности банкнот, ценных бумаг и документов с нанесенными метками подлинности, содержащими нанокристаллы алмазов с активными NV-центрами, был реализован в ООО «Новые энергетические технологии». Содержащую нанокристаллы алмазов с активными NV-центрами метку подлинности с характерным размером 2 мм, нанесенную на банкноту, подвергали воздействию потока лазерного излучения с длиной волны 532 нм (вторая гармоника неодимового лазера), мощностью 40 мВт и поперечным сечением около 10 мм, в течение времени 100 мкс и при этом подвергали воздействию СВЧ-излучения от генератора мощностью около 1 Вт, которое гармонически модулировали в разных случаях с частотой 40, 60, 80 и 100 кГц. Сигнал флуоресценции метки в диапазоне длин волн 650-750 нм усиливали и осуществляли его синхронное детектирование, умножая на гармонический сигнал частоты, равной частоте модуляции СВЧ-излучения. При этом выбирали оптимальный сдвиг фазы указанного гармонического сигнала относительно фазы модуляции СВЧ-излучения. Во всех случаях регистрировался сигнал, как минимум, на порядок величины превосходящий фоновый сигнал, получаемый до и после прохождения метки под пятном лазерного излучения. При этом, например, при частоте указанной модуляции 100 кГц указанный сдвиг составил 48°, который вызван задержками в электронных устройствах, а также физическими процессами в активных NV - центрах нанокристаллов алмаза, в частности относительно малой скоростью безызлучательной рекомбинации с метастабильного уровня A на основной А.
При этом уровень сигнала с синхронного детектора, свидетельствующий о наличии на банкноте указанной метки подлинности, возрастал при расширении полосы частот СВЧ-излучения вплоть до ±0,15 ГГц.
Таким образом, описанная выше опытная проверка предложенного способа подтвердила возможность его реализации с получением положительного эффекта - уверенным обнаружением метки подлинности банкнот, ценных бумаг или документов, содержащей нанокристаллы алмазов с активными NV-центрами, т.е. установлением подлинности указанных объектов проверки.
Литература
[1] - Патент РФ RU 2312882.
[2] - Патент РФ RU 2357866.
[3] - N.B.Manson, J.P.Harrison and M.J.Sellars, "The nitrogen-vacancy center in diamond re-visited", arXiv: cond - mat / 0601360v2 (5 June 2006).