СПОСОБ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКОГО ОГРАНИЧЕНИЯ МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ ВОДНОЙ СУСПЕНЗИИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
METHOD FOR NONLINEAR OPTICAL POWER LIMITATION BASED ON AN AQUEOUS SUSPENSION OF CARBON NANOTUBES

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптических приборах и средствах защиты органов зрения от действия мощного излучения.
Известен способ нелинейно-оптического ограничения мощности, при котором направленный поток излучения последовательно пропускают через собирающую линзу, оптическую кювету, заполненную суспензией из наноуглеродных частиц луковичной структуры в диметилформамиде и расположенную в фокусе собирающей линзы, а далее через коллимирующую линзу. [Михеев Г.М., Могилева Т.Н., Кузнецов В.Л., Булатов Д.Л. Устройство для ограничения светового потока // Патент РФ на изобретение №2403599. Бюл. №31. 2010.]
Недостатком данного способа является то, что при достаточно большой интенсивности светового потока происходит просветление указанной суспензии в точке фокусировки за счет индуцированных светом химических реакций, вследствие чего требуется применение источника неоднородного магнитного поля для выталкивания просветленной фракции суспензии из зоны взаимодействия. Другим недостатком является применение в качестве дисперсионной среды диметилформамида, являющегося опасным для человека веществом.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ нелинейно-оптического ограничения мощности на основе водной суспензии углеродных нанотрубок, включающий пропускание направленного потока излучения последовательно через собирающую линзу и оптическую кювету, заполненную водной суспензией углеродных нанотрубок и размещенную в фокусе собирающей линзы, в котором водная суспензия углеродных нанотрубок имеет комнатную температуру [Vivien L., Lancon P., Riehl D., Hache F., Anglaret E. Carbon nanotubes for optical limiting // Carbon. 2002. Vol. 40, №10. P. 1789-1797].
Недостатком указанного способа является относительно высокая пороговая плотность энергии (порог) нелинейно-оптического ограничения мощности в используемой суспензии - плотность энергии падающего излучения, при которой нелинейный коэффициент пропускания суспензии уменьшается на 10 процентов относительно коэффициента линейного пропускания, - что снижает практическую применимость способа в области излучений с малой интенсивностью. Кроме того, используемые в способе углеродные нанотрубки без специальной обработки образуют водные суспензии со слабой коллоидной устойчивостью, быстро выпадающие в осадок.
Задачей изобретения является разработка способа нелинейно-оптического ограничения мощности на основе водной суспензии углеродных нанотрубок с меньшей пороговой плотностью энергии нелинейно-оптического ограничения мощности.
Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от известного способа нелинейно-оптического ограничения мощности на основе водной суспензии углеродных нанотрубок, включающего пропускание направленного потока излучения последовательно через собирающую линзу и оптическую кювету, заполненную водной суспензией углеродных нанотрубок и размещенную в фокусе собирающей линзы, оптическую кювету помещают в термостат и поддерживают температуру суспензии в пределах от 38 до 50°С.
Предпочтительным является способ, в котором водную суспензию готовят из углеродных нанотрубок, на поверхности которых сформированы кислородсодержащие группы, способствующие образованию коллоидного раствора нанотрубок в воде.
Техническим результатом изобретения является уменьшение пороговой плотности энергии нелинейно-оптического ограничения мощности в водной суспензии углеродных нанотрубок.
Фиг. 1 показывает способ нелинейно-оптического ограничения мощности на основе водной суспензии углеродных нанотрубок по данному изобретению: 1 - оптическая кювета с водной суспензией углеродных нанотрубок; 2 - термостат, 3 - блок управления термостатом; 4 - собирающая линза; штриховые линии - направленный поток излучения.
Фиг. 2 показывает схему измерения нелинейно-оптических свойств водной суспензии углеродных нанотрубок методом z-сканирования при нагреве: 5 - платформа; 6 - однокоординатный столик; 7 - лазер; 8 - плоскопараллельная оптическая делительная пластина; 9 - поглощающий экран; 10, 12, 13 - нейтральные светофильтры; 11, 14 - фотоприемники; штрих-пунктирные линии - ход луча лазера; +Z, 0, -Z -положительное направление, начало отсчета и отрицательное направление оси z сфокусированного лазерного пучка соответственно (z=0 в перетяжке пучка).
норм
0
Фиг. 3 показывает экспериментальные зависимости нормированного коэффициента пропускания Т водной суспензии многослойных углеродных нанотрубок от нормированной координаты z/z (а) и от плотности энергии падающего излучения D (б), полученные при температуре t равной 23, 31, 40 и 90°С: точки - эксперимент; кривые -аппроксимирующие функции.
пор
Фиг. 4 показывает зависимость пороговой плотности энергии D нелинейно-оптического ограничения мощности в водной суспензии многослойных углеродных нанотрубок от температуры: точки - эксперимент; кривая - аппроксимирующая функция.
Способ нелинейно-оптического ограничения мощности на основе водной суспензии углеродных нанотрубок по данному изобретению осуществляется следующим образом. Оптическую кювету 1 с водной суспензией углеродных нанотрубок (Фиг. 1) помещают в оснащенный входным и выходным оптическими окнами термостат 2, которым управляют при помощи блока 3 управления термостатом, и поддерживают температуру суспензии в пределах от 38 до 50°С. Помещенную в термостат кювету размещают в фокусе собирающей линзы 4. Направленный поток излучения последовательно пропускают через собирающую линзу и оптическую кювету. При превышении плотности энергии направленного потока в точке фокусировки над пороговой происходит нелинейно-оптическое ограничение мощности проходящего через кювету излучения. В случае необходимости волновой фронт проходящего излучения корректируют с помощью коллимирующей линзы, объектива или иной оптической системы.
Нелинейно-оптическое ограничение мощности является нелинейным эффектом, при котором коэффициент пропускания среды нелинейно уменьшается с увеличением интенсивности падающего излучения. Пороговая плотность энергии нелинейно-оптического ограничения мощности в водных суспензиях углеродных нанотрубок определяется образованием паровых пузырьков, приводящим к нелинейному рассеянию света и уменьшению коэффициента пропускания среды. Согласно этому механизму порог нелинейно-оптического ограничения мощности зависит от температуры кипения воды и температуры самой суспензии. При этом нагрев воды и ее парообразование происходят за счет получения тепла от наночастиц, хорошо поглощающих падающее излучение.
В работе [Yu Н., Kim S. W. Temperature effects in an optical limiter using carbon nanotube suspensions // Journal of the Korean Physical Society. 2005. Vol. 47, №4. P. 610-614] показано, что с увеличением температуры эффективность нелинейно-оптического ограничения мощности в суспензиях многослойных углеродных нанотрубок в воде возрастает. Однако из-за относительно большого разброса экспериментальных данных точная зависимость пороговой плотности энергии от температуры в указанной работе отсутствует. С помощью оригинальной лазерной системы z-сканирования нами впервые с высокой точностью измерена зависимость порога нелинейно-оптического ограничения мощности в водной суспензии многослойных углеродных нанотрубок от температуры.
Многослойные углеродные нанотрубки были синтезированы методом электродугового испарения графита. Большинство нанотрубок имело диаметр от 15 до 20 нм и длину менее 1 мкм. Для очистки их от наночастиц аморфного углерода, нанографита и стеклоуглерода, а также для придания способности образовывать устойчивые суспензии в воде использовалась химическая обработка [Окотруб А.В., Юданов Н.Ф., Алексашин В.М., Булушева Л.Г., Комарова О.А., Костас У.О., Гевко П.Н., Антюфеева Н.В., Ильченко С.И., Гуняев Г.М. Исследование термических и механических свойств композитов из электродуговых углеродных нанотруб и термостойкого связующего на основе цианового эфира // Высокомолекулярные соединения. Сер. А. 2007. Т. 49, №6. С. 1049-1055]. При этом в результате окисления нанотрубок в растворе перманганата калия в серной кислоте на их поверхности сформировались кислородсодержащие группы, способствующие образованию коллоидного раствора нанотрубок в воде. Полученные водные суспензии углеродных нанотрубок показали высокую стабильность во времени. Например, у суспензии с концентрацией 0,01 вес. % за время хранения при комнатной температуре в течение 7 лет отсутствовали признаки седиментации.
2
3+
вх
вых
Z-сканирование исследуемой суспензии проводилось по оптической схеме, представленной на Фиг. 2. Термостат с оптической кюветой, заполненной исследуемой суспензией, помещался на платформе 5 однокоординатного столика 6. С помощью специального электронного блока управления термостатом температура в нем поддерживалась на заранее заданном уровне с точностью ±0,5°С. Кювета герметично закрывалась во избежание интенсивного испарения воды при нагреве. Рабочая толщина кюветы составляла 1 мм, концентрация суспензии равнялась 0,001 вес. %. Кювета, размещенная в термостате, была наклонена под углом 45° к падающему лучу лазера, чтобы исключить влияние интерференции лазерных пучков, отраженных от лицевой и тыльной поверхностей кюветы, на измеряемый коэффициент нелинейного пропускания суспензии в ходе z-сканирования. Линейный коэффициент пропускания суспензии на длине волны 532 нм составлял 65%, а плотность энергии падающего излучения в перетяжке равнялась 0,35 Дж/см. В качестве лазерной накачки использовалось импульсное, с длительностью импульса 13,6 нс и длиной волны 532 нм излучение второй гармоники одномодового одночастотного YAG:Nd-лазера 7 с пассивной модуляцией добротности. Сначала лазерный пучок пропускали через установленную под углом падения 45° плоскопараллельную оптическую делительную пластину 8 такой толщины, чтобы отраженные от ее лицевой и тыльной поверхностей лучи лазера были разделены в пространстве. Это предотвращало интерференцию отраженных пучков и поддерживало постоянство коэффициента отражения от указанных поверхностей при скачкообразном изменении продольной моды резонатора лазера. Отраженный от тыльной поверхности пластины пучок гасили поглощающим экраном 9. Пучок, отраженный от лицевой поверхности, после ослабления нейтральным светофильтром 10 направляли на опорный калиброванный фотоприемник 11 для измерения энергии Е падающих на кювету лазерных импульсов. Лазерный пучок, прошедший через делительную пластину, ослабляли с помощью нейтрального светофильтра 12 и фокусировали на кювету длиннофокусной собирающей линзой с фокусным расстоянием 0,15 м. Диаметр пучка в перетяжке составлял 68 мкм. При перемещении кюветы вдоль оси z сфокусированного лазерного пучка определяли энергию Е лазерных импульсов, прошедших через кювету. Для этого ослабленное нейтральным светофильтром 13 излучение лазера регистрировали сигнальным калиброванным фотоприемником 14.
0
0
0
0
норм
0
вых
вх
0
норм
0
норм
пор
2
Показания фотоприемников позволили для каждой нормированной координаты z/z (z=πw/λ - длина Рэлея, λ - длина световой волны, w - радиус перетяжки сфокусированного лазерного пучка) определить нормированный коэффициент пропускания Т=Т/Т водной суспензии многослойных углеродных нанотрубок, где Т=Е/Е - коэффициент нелинейного пропускания суспензии, Т - линейный коэффициент пропускания суспензии, измеренный относительной идентичной кюветы с дистиллированной водой. Экспериментальные зависимости Т(z/z) (Фиг. 3, а), полученные при различных температурах, имеют минимум при z равном нулю и симметричны относительно этой точки. Соответствующие им зависимости Т от плотности энергии падающего излучения (Фиг. 3, б) свидетельствуют об уменьшении порога нелинейно-оптического ограничения мощности с увеличением температуры суспензии. Представленная на Фиг. 4 зависимость порога нелинейно-оптического ограничения мощности от температуры показывает, что увеличение температуры суспензии всего на 17°С от комнатной приводит к существенному уменьшению порога. При этом, как видно из Фиг. 4, в диапазоне температур от 40 до 90°С значение D остается практически без изменений, то есть дальнейшее уменьшение порога с ростом температуры отсутствует.
пор
Полученную зависимость D(t) можно объяснить следующим образом. Углеродные нанотрубки в суспензии находятся во взвешенном состоянии благодаря силе взаимного электростатического отталкивания. Вблизи поверхности нанотрубок образуется двойной электрический слой и молекулы воды, расположенные в этой области, находятся в своего рода потенциальной яме. Это означает, что часть энергии импульса лазерного излучения, поглощаемая молекулами воды, находящимися вблизи углеродных нанотрубок, расходуется на преодоление этого потенциального барьера. С учетом данного обстоятельства энергия ΔQ, требуемая для превращения воды массой Δm в пар, равняется:
1
2
3
2
3
2
3
1
пор
крит
1
крит
1
2
где Q - энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера на двойном электрическом слое; Q и Q - энергии, необходимые для нагрева до температуры кипения и для превращения в пар соответственно; Q=ΔmΔtC, Q=ΔmL, Δt - разность между температурой суспензии в исходном состоянии и температурой кипения, С - удельная темплоемкость, L - удельная теплота парообразования воды. Ввиду малой концентрации углеродных нанотрубок в исследуемой суспензии можно считать, что ее удельная теплоемкость и температура кипения мало отличаются от соответствующих значений для воды. С учетом табличный значений С=4183 Дж/(кг⋅°С) и L=2258 кДж/кг и полагая, что Δt=77°С (разница между комнатной температурой и температурой кипения воды), получаем Q существенно меньше Q. Очевидно, что при увеличении температуры суспензии значение Q стремится к нулю, что приводит к соответствующему уменьшению D. При некоторой температуре t энергия Q становится равной нулю. При всех других температурах t больше t энергия Q остается равной нулю и, в соответствии с относительной малостью Q, пороговая плотность энергии тоже остается практически без изменений. Все это хорошо согласуется с результатами, представленными на Фиг. 4.
Таким образом, из полученных данных следует, что порог нелинейно-оптического ограничения мощности в водной суспензии углеродных нанотрубок, находящейся при комнатной температуре, более чем в три раза уменьшается при ее нагреве до 40°С. Дальнейшее увеличение температуры до 90°С приводит к едва заметному изменению пороговой плотности энергии. Это объясняется влиянием потенциальной энергии двойного электрического слоя и удельной теплоты парообразования на возникновение пузырьков пара, приводящее к нелинейному рассеянию света. Все вышесказанное гарантирует возможность достижения заявленного технического результата.