НЕЙТРАЛЬНЫЙ СВЕТОФИЛЬТР
NEUTRAL LIGHT FILTER

Нейтральные светофильтры применяются в оптических приборах, в частности, в качестве ослабителей, снижающих интенсивность излучения.
Известен нейтральный светофильтр [Н.Н.Колесников, В.В.Кведер, Д.Н.Борисенко, Е.Б.Борисенко, А.В.Тимонина, С.И.Божко. Нейтральный светофильтр. Патент РФ №2331906, опубл. 20.08.2008] - прототип, состоящий из чередующихся слоев кристаллического моноселенида галлия GaSe и наночастиц галлия. Это эффективный нейтральный фильтр для излучения инфракрасного диапазона спектра. Светопропускание такого фильтра можно регулировать, увеличивая или уменьшая количество слоев наночастиц галлия в процессе изготовления фильтра. Основным недостатком такого нейтрального фильтра является невозможность изменения светопропускания в процессе эксплуатации фильтра.
Подобные фильтры используются, в частности, в лазерных системах, предназначенных для облучения объектов, не допускающих перегрева выше определенных температур. Примером такой системы могут служить лазерные хирургические устройства. Биологические ткани, обрабатываемые лазером, быстро разогреваются за счет поглощения излучения. В устройствах такого типа целесообразно иметь нейтральные фильтры, светопропускание которых может снижаться при повышении температуры обрабатываемого объекта.
Задачей данного изобретения является создание нейтрального светофильтра для диапазона длин волн 2,5-15 мкм, светопропускание которого может быть при необходимости снижено в процессе эксплуатации.
Эта задача решается в предлагаемом нейтральном светофильтре, состоящем из чередующихся слоев кристаллического моноселенида галлия (GaSe) и наночастиц галлия, за счет того, что фильтр снабжен оправкой, имеющей канал для теплоносителя.
При отсутствии теплоносителя в канале или при температуре теплоносителя ниже температуры плавления галлия (29,8°С), такой фильтр работает так же, как и устройство-прототип. Моноселенид галлия имеет высокое светопропускание в инфракрасном диапазоне, что иллюстрируется спектром светопропускания (фиг.1, кривая 1). Металлический галлий однородно поглощает инфракрасное излучение. Использование галлия в виде наночастиц обеспечивает однородное распределение галлия между слоями GaSe, что иллюстрируется фиг.2, на которой представлено изображение слоя наночастиц галлия между слоями (0001) в кристалле GaSe, полученное с помощью атомно-силового микроскопа. В результате предлагаемый нейтральный светофильтр однородно ослабляет инфракрасное излучение в диапазоне длин волн 2,5-15 мкм, что иллюстрируется спектром пропускания (фиг.1, кривая 2). Коэффициент ослабления такого нейтрального светофильтра зависит от количества слоев наночастиц галлия.
При протекании через оправку теплоносителя, имеющего температуру выше, чем температура плавления галлия, наночастицы Ga плавятся, сплющиваясь и растекаясь между слоями GaSe. При этом доля площади поперечного сечения пучка излучения, перекрываемая частицами галлия, увеличивается, и светопропускание фильтра пропорционально снижается, что иллюстрируется фиг.3. На фиг.3 показан спектр изменения светопропускания нейтрального светофильтра во времени (τ) при фиксированной длине волны (10,6 мкм). Участок спектра, обозначенный цифрой 1, демонстрирует исходное светопропускание фильтра, участок 2 отражает постепенное снижение светопропускания при подаче в оправку горячего теплоносителя, участок 3 демонстрирует конечное значение светопропускания фильтра.
Начальное и конечное значения светопропускания определяются количеством слоев наночастиц галлия, созданных при изготовлении фильтра. Время снижения светопропускания от начального значения до конечного определяется преимущественно температурой и расходом теплоносителя, а также теплопроводностью материала оправки.
Пример.
Нейтральный светофильтр (фиг.4), состоящий из двух слоев GaSe, между которыми находится слой наночастиц галлия (1 на фиг.4), и стальной оправки с каналом для теплоносителя (2 на фиг.4). Отверстия для ввода и вывода теплоносителя показаны на фиг.4 стрелками. Спектр светопропускания светофильтра на длине волны 10,6 мкм представлен на фиг.3. Исходное светопропускание фильтра, заданное при изготовлении, составляет 40%. После подачи в канал оправки воды с температурой 60°С светопропускание фильтра за 8 минут снижается до 27%.