СПОСОБ ОГРАНИЧЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G02F1/35 G02B5/24 

Изобретение относится к ограничителям интенсивности импульсного и импульсно-периодического лазерного излучения с частотой повторения до 10 Гц и может найти применение для защиты органов зрения и чувствительных приемников излучения от разрушающего действия высокоинтенсивного падающего излучения.

Ограничители лазерного излучения отличаются как конструкцией прибора, так и рабочим материалом, который состоит из прозрачной матрицы и активных компонентов, представляющих собой наночастицы, обладающие нелинейно -оптическими свойствами [1, 2].

Современные требования к рабочим материалам ограничителей (лимитерам) интенсивности мощного лазерного излучения заключаются в следующем:

- Высокое начальное пропускание излучения Т (λ) и широкополостность линейного пропускания ограничителя в рабочей области спектра, что обеспечивает нейтральное окрашивание поля зрения оптических приборов.

- Высокая скорость включения лимитера, так называемое быстродействие.

- Высокая степень (кратность) ослабления интенсивности входного излучения (ограничения), под которым понимается отношение интенсивности падающего излучения к интенсивности излучения, прошедшего через ограничительное устройство.

Указанным требованиям соответствуют лимитеры, активными компонентами которых являются углеродные наночастицы, многослойные и однослойные нанотрубки, углеродные нановолокна, наночастицы золота и серебра, «наноструктуры полупроводник-металл и диэлектрик-металл» [1].

Активные компоненты рабочего материала могут быть заключены в твердотельную прозрачную матрицу, а также представлять собой суспензию наночастиц в различных растворителях.

Основными механизмами ограничения мощного лазерного излучения являются нелинейное рассеяние, многофотонное поглощение, RSA (обратимое насыщенное поглощение) и другие оптические нелинейные процессы [1].

Так, известны лимитеры, созданные на основе твердотельных полимерных матриц, содержащих наночастицы золота и серебра [2]. Такие твердотельные устройства наряду с удобством эксплуатации отвечают основным критериям лимитеров, однако имеют существенные недостатки. К таким недостаткам относится низкая лучевая прочность полимерной матрицы, в которой распределены наночастицы, что, по сути, определяет проблематичность их использования в импульсно-периодическом режиме. Так, в [3] отмечается, что твердотельные «лимитеры», в которых не работает механизм «залечивания» зоны лазерного воздействия, менее долговечны, чем жидкостные.

Ограничители лазерного излучения, в которых рабочим материалом является суспензия активного компонента в различных растворителях, характеризуются [4-6] тем, что разрушение рабочего материала, в отличие от твердотельного, является обратимым процессом, и наряду с высокими показателями функционирования лимитера могли бы иметь преимущества перед твердотельными лимитерами.

Однако жидкостные лимитеры имеют недостатки, характеризующиеся просветлением материала в световом канале по ходу лазерного луча с постепенным восстановлением исходного состояния суспензии [1]. Просветление нелинейно -оптической среды может быть связано с выводом (или сублимацией) наночастиц из области распространения лазерного луча. Для нелинейно -оптической среды, помещенной в конфокальную систему, допустимо использовать жидкостные лимитеры в импульсно-периодическом режиме в том случае, если частота повторения импульсов не превосходит 3 Гц. Такое поведение жидкостных лимитеров резко ограничивает их использование в импульсно-периодическом режиме лазерного излучения.

Имеются данные [7] относительно ограничения мощного лазерного излучения суспензией наночастиц аморфного углерода, помещенного в вязкую полимерную матрицу на основе эпоксидных смол или водный желатиновый гель. Авторы отмечают возможность использования лимитеров в импульсно-периодическом режиме. Однако ограничение лазерного излучения мощностью 100 MW/cm такими системами возможно при частоте повторения лазерного импульса 0.5-2.0 Гц.

Наиболее близким по техническому решению является способ ограничения мощного лазерного излучения, предложенного в [6]. В качестве матрицы используется дистиллированная вода или органический растворитель. Высокодисперсная углеродная среда представляет собой многослойные углеродные нанотрубки. Для придания устойчивости суспензии может использоваться поверхностно-активное соединение. Данное техническое решение обеспечивает высокое начальное пропускание излучения Т (λ) и широкополостность линейного пропускания ограничителя в рабочей области спектра, высокую скорость включения лимитера (быстродействие) и высокую степень ослабления интенсивности входного лазерного излучения.

Однако недостатком такого лимитера является невозможность использования его для ограничения мощного лазерного излучения в импульсно-периодическом режиме [1] при частотах повторения более 3 Гц.

Целью настоящего изобретения является возможность ограничения мощного лазерного излучения на основе суспензии наночастиц, обладающих нелинейно-оптическими свойствами в импульсно-периодическом режиме до 10 Гц.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом способе ограничения мощного лазерного излучения в качестве жидкостной компоненты лимитера используются полимеры, выбранные из ряда сложноорганических соединений, сложных эфиров, ароматических углеводородов, высших спиртов, высших алканов, а также их смесей. В заявляемом способе ограничения мощного лазерного излучения в качестве активного компонента лимитера могут использоваться углеродные наночастицы, а именно однослойные и многослойные нанотрубки, углеродные нановолокна, частицы аморфного углерода, астралены, наношеллы, и другие полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа.

Отличительной чертой жидких сред лимитеров по заявляемому способу ограничения интенсивности излучения является соответствие величины γ, определяемой следующей эмпирической формулой, определенному диапазону:

γ=Кη/М,

где К - коэффициент пропорциональности, η - вязкость жидкостной компоненты лимитера, М - молекулярная масса жидкостной компоненты лимитера.

Использование лимитера в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения до 10 Гц без изменения нелинейно-оптических свойств рабочего материала лимитера осуществляется в диапазоне η от 1 до 10. При этом возможные величины вязкости η и молекулярной массы жидкостной компоненты лимитера М демонстрируют примеры, приведенные в таблице 1:

Таблица 1. Примеры свойств растворителей для лимитеров, обладающих нелинейно-оптическими свойствами в импульсно-периодическом режиме до 10 Гц.

(К=10 Да/Пз).

γ η, сПз М, Да 1 20 20000 2 20 10000 4 20 5000 5 100 20000 10 20 2000 10 100 10000

При значениях молекулярной массы и вязкости жидкостной компоненты лимитера, соотношение между которыми приводит к величинам γ, выходящим за диапазон 1-10, наблюдаются нежелательные изменения свойств лимитера.

Так, в диапазоне молекулярных масс М жидкостной компоненты лимитера 20000-2000 Да:

- при М=20000 и η<20 сПз наблюдается выпадение осадка наночастиц и ослабление нелинейно-оптических свойств лимитера;

- при М=2000 и η>20 газообразные продукты воздействия мощного лазерного излучения на материал лимитера не успевают диссипировать, вследствие чего время восстановления оптических свойств лимитера становится слишком большим, что не позволяет ему ограничивать лазерное излучение в импульсно-периодическом режиме до 10 Гц.

Литература

1. И.М.Белоусова, О.Б.Данилов, А.И.Сидоров. Оптический журнал, т.76, №4, 2009, с.71.

2. S.Dengler, G.Riit, B.Eberle, Proc. of SPIE. V.7481, 74810T-1.

3. Т.Н.Копылова, А.П.Луговицкий и др. Квантовая электроника, т.36, №3, 2006, с.274.

4. Пат. РФ №2238577, Нелинейно-оптический элемент для ограничения потоков электромагнитного излучения.

5. К.М.Nashold, D.P.Walter, J.Opt.Soc. B/Vol.12, №7, 1995.

6. L.Vivien, P.Lancon, D.Riehl, F.Hache, E.Anglaret, Carbon. V.40, 1.10, 2002. P.1789.

7. S.E.Zeiensky, J.V.Kopyshinsky et al. Semiconductor Physics, Quantum Electronics. V.13, №1. Р.70

Изобретение относится к способу ограничения мощного лазерного импульсно-периодического излучения и может найти применение для защиты органов зрения и чувствительных приемников излучения от разрушающего действия высокоинтенсивного падающего излучения. Способ реализуется лимитером на основе суспензий наночастиц, обладающих нелинейно-оптическими свойствами, в прозрачных жидких матрицах, содержащих поверхностно-активное вещество. Ограничение импульсно-периодического лазерного излучения производят с частотой повторения до 10 Гц, при этом соотношение вязкости (η) и молекулярной массы (М) жидкостной компоненты лимитера определяется эмпирической формулой γ=Кη/М при значении 1<γ<10 и К=10 Да/Пз. Технический результат заключается в обеспечении возможности использования способа ограничения лазерного излучения без изменения оптических свойств лимитера под действием мощного лазерного излучения.

1. Способ ограничения интенсивности мощного лазерного излучения лимитером на основе суспензий наночастиц, обладающих нелинейно-оптическими свойствами, в прозрачных жидких матрицах, содержащих поверхностно-активное вещество, отличающийся тем, что ограничение импульсно-периодического лазерного излучения производят с частотой повторения до 10 Гц, при этом соотношение вязкости (η) и молекулярной массы (М) жидкостной компоненты лимитера определяется эмпирической формулой γ=Кη/М при значении 1<γ<10 и К=10 Да/Пз.