УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ СВЕТОВОГО ПОТОКА
LIGHT FLUX LIMITING DEVICE

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к устройствам для ограничения и управления интенсивностью светового потока. Оно может быть использовано для защиты глаз, оптических систем и сенсоров от мощного лазерного излучения, а также может служить в качестве управляемого оптического затвора.
60
Известно устройство для ограничения светового потока, представляющее собой оптический ограничитель, предназначенный для ослабления мощности лазерного излучения. Основным элементом такого устройства является оптическая кювета с суспензией наноуглеродных трубок в этаноле либо растворов фуллеренов С в толуоле или дистиллированной воде [K.C.Chin, G.L.Chong, C.H.Sow, A.T.S.Wee Modified carbon nanotubes as broadband optical limiting nanomaterials, J. Mater. Res., 2006, v.21, No.11, p.2758-2766]. Однако недостатком такого устройства является то, что наноуглеродные трубки постепенно оседают и вследствие этого по истечении некоторого времени суспензия теряет свойство оптического ограничения. Другим недостатком такого оптического ограничителя является то, что он не может работать в качестве управляемого оптического затвора.
Наиболее близким к изобретению является устройство для ограничения светового потока, содержащее кварцевую кювету с суспензией из наноуглеродных частиц луковичной структуры в воде [Koudoumas E., Kokkinaki O., Konstantaki M., Courts S., Korovin S., Detkov P., Kuznetsov V., Pimenov S., Pustovoi V. Onion-like carbon and diamond nanoparticles for optical limiting. // Chemical Physics Letters, 2002, v.357, p.336-340]. Однако недостатком такого устройства является то, что такая водная суспензия может работать только в режиме ограничения лазерного излучения, кроме этого она не является стабильной во времени. Кроме этого данное устройство для ограничения светового потока не может работать в качестве управляемого оптического затвора.
Задачей изобретения является создание устройства для ограничения светового потока, способного работать в качестве оптического ограничителя и оптического затвора.
Поставленная задача решается тем, что устройство для ограничения светового потока, состоящее из оптической кюветы, заполненной суспензией из наноуглеродных частиц луковичной структуры, и двух собирающих линз, расположенных по обе стороны от оптической кюветы, дополнительно снабжено источником неоднородного магнитного поля, расположенным таким образом, чтобы обеспечить выталкивание из зоны воздействия светового потока с суспензией просветленной части суспензии, возникающей в результате указанного взаимодействия.
Предпочтительным вариантом суспензии является суспензия, приготовленная из наноуглеродных частиц луковичной структуры на основе диметилформамида.
Источник неоднородного магнитного поля может быть выполнен в виде постоянного магнита.
Целесообразно снабдить устройство для ограничения светового потока источником непрерывного направленного оптического излучения и двумя дополнительными собирающими линзами, расположенными по обе стороны от оптической кюветы, а также источником неоднородного магнитного поля, выполненным в виде электромагнита, снабженного электронным устройством управления.
Электронное устройство управления может быть снабжено быстродействующим фотоприемником, регулируемой электронной линией задержки и узлом формирования импульса тока для питания электромагнита.
Целесообразно снабдить устройство для ограничения светового потока лазером, генерирующим импульсное излучение, и третьей дополнительной собирающей линзой, установленной между лазером и оптической кюветой.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства для ограничения светового потока, т.е. устройство для ограничения светового потока может работать и в качестве оптического ограничителя, и в качестве оптического затвора.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображена схема устройства для ограничения светового потока для работы в качестве оптического ограничителя, где 1 - оптическая кювета с суспензией из наноуглеродных частиц луковичной структуры, приготовленной на основе диметилформамида; 2, 3 - собирающие линзы; 4 - направленный световой поток; 5 - точка фокусировки (область фокусировки, перетяжка) направленного светового потока; 6 - просветленная часть суспензии; 7 - источник неоднородного магнитного поля.
На фиг.2 изображена схема устройства ограничения светового потока для работы в качестве оптического затвора, где 1 - оптическая кювета с суспензией из наноуглеродных частиц луковичной структуры, приготовленной на основе диметилформамида; 2, 3 - собирающие линзы; 4 - направленный световой поток; 5 - точка фокусировки (область фокусировки, перетяжка) направленного светового потока; 6 - просветленная часть суспензии; 7 - источник неоднородного магнитного поля; 8 - источник непрерывного направленного оптического излучения; 9, 10 - дополнительные собирающие линзы; 11 - электронное устройство управления, включающее: 12 - быстродействующий фотоприемник, 13 - регулируемая электронная линия задержки, 14 - узел формирования импульса тока; 15 - лазер, генерирующий импульсное излучение; 16 - третья дополнительная собирающая линза.
На фиг.3 представлена фотография оптической кюветы с суспензией после воздействия направленного светового потока в отсутствие источника неоднородного магнитного поля, где 1 - оптическая кювета с суспензией на основе диметилформамида и шкалой (цена деления 1 мм), 5 - точка фокусировки, 6 - просветленная часть суспензии.
На фиг.4 показана зависимость коэффициента пропускания τ исследуемой жидкости от количества импульсов направленного светового потока N в отсутствие источника неоднородного магнитного поля.
На фиг.5 представлена фотография оптической кюветы с суспензией после воздействия направленного светового потока в присутствии источника неоднородного магнитного поля (выталкивание просветленной части происходит вверх), где 1 - оптическая кювета с суспензией на основе диметилформамида и шкалой (цена деления 1 мм), 5 - точка фокусировки, 6 - просветленная часть суспензии.
На фиг.6 представлена фотография оптической кюветы с суспензией после воздействия направленного светового потока в присутствии источника неоднородного магнитного поля (выталкивание просветленной части происходит вниз), где 1 - оптическая кювета с суспензией на основе диметилформамида и шкалой (цена деления 1 мм), 5 - точка фокусировки, 6 - просветленная часть суспензии.
На фиг.7 изображена диаграмма интенсивности светового потока на выходе оптической кюветы (после линзы 3) от времени.
Раскрытие изобретения
Принцип работы устройства для ограничения светового потока состоит в следующем. Направленный световой поток 4 (фиг.1) (источником которого, например, может служить лазер, работающий в импульсном режиме; лампа вспышки; дуговой разряд и др.) с помощью собирающей линзы 2 фокусируется в кювету 1 с суспензией из наноуглеродных частиц луковичной структуры, приготовленной на основе диметилформамида. В результате взаимодействия направленного светового потока с суспензией, за счет эффекта оптического ограничения, происходит уменьшение мощности светового потока на выходе кюветы, причем коэффициент пропускания τ зависит от плотности мощности светового потока. Чем больше плотность светового потока, тем меньше коэффициент пропускания. При достаточно больших плотностях мощности направленного светового потока наступает процесс просветления суспензии в точке фокусировки светового потока (фиг.3), вследствие чего на выходе кюветы интенсивность светового потока начинает возрастать по мере увеличения количества вспышек N источника направленного светового потока (фиг.4). Просветление суспензии происходит за счет индуцированных светом химических реакций с образованием фракции суспензии, имеющей неожиданно большой коэффициент диамагнитной восприимчивости. В отсутствие источника неоднородного магнитного поля просветленная часть суспензии за счет конвекции очень медленно уходит из точки фокусировки 5 (фиг.3). В результате этого суспензия в точке фокусировки 5 становится прозрачной и эффект ограничения мощности светового потока исчезает.
Если вблизи оптической кюветы поместить источник неоднородного магнитного поля, то просветленная часть жидкости, возникающая в результате взаимодействия сфокусированного светового потока с суспензией, эффективно выталкивается в область минимальной индукции магнитного поля (фиг.5 и фиг.6), так как просветленная часть суспензии имеет большой коэффициент диамагнитной восприимчивости. В результате в зону взаимодействия светового потока с суспензией поступает новая порция непросветленной жидкости, которая обладает свойством оптического ограничения. Таким образом, достигается работоспособность оптического ограничителя.
Примечательно, что выталкивание просветленной части суспензии из зоны взаимодействия возможно как вверх (фиг.5), так и вниз (фиг.6) в зависимости от расположения источника неоднородного магнитного поля относительно кюветы (точнее в зависимости от направления градиента квадрата индукции магнитного поля). Необходимо особо отметить, что в однородном магнитном поле эффект выталкивания просветленной части суспензии не наблюдается.
Очевидно, что действие источника неоднородного магнитного поля можно заменить обычным перемешиванием суспензии одним из известных методов. Другим не менее очевидным решением является сканирование кюветы относительно точки фокуса в плоскости, перпендикулярной оптической оси направленного светового потока. Однако это существенно усложняет конструкцию оптического ограничителя, в то время как источник неоднородного магнитного поля может быть выполнен в виде простого постоянного магнита, расположенного в непосредственной близости от оптической кюветы. Таким образом, достигается простота конструкции оптического ограничителя.
Устройство для ограничения светового потока может так же работать в режиме оптического затвора. Для этого оно снабжается источником непрерывного направленного оптического излучения 8, двумя дополнительными собирающими линзами 9 и 10, источником неоднородного магнитного поля, который может быть выполнен в виде электромагнита 7, управляемого электронным устройством 11 (фиг.2). Электронное устройство управления 11 включает в себя быстродействующий фотоприемник 12, регулируемую электронную линию задержки 13 и узел формирования импульса тока 14 для питания электромагнита.
1
2
1
2
1
1
2
1
Если направленный световой поток имеет достаточную мощность для просветления суспензии, то устройство для ограничения светового потока в режиме оптического затвора работает следующим образом. Мощный направленный световой поток 4 (фиг.2) с помощью собирающей линзы 2 фокусируется в точку 5 кюветы 1, содержащую суспензию наноуглеродных частиц луковичной структуры на основе диметилформамида. Одновременно с этим излучение источника непрерывного направленного оптического излучения 8 с помощью дополнительной собирающей линзы 9 направляется в точку фокусировки 5 собирающей линзы 2. Далее оно коллимируется дополнительной собирающей линзой 10 и поступает на быстродействующий фотоприемник 12. В результате взаимодействия мощного направленного светового потока 4 с суспензией, за счет эффекта оптического ограничения, происходит уменьшение мощности излучения на выходе кюветы. При достаточно больших плотностях мощности излучения наступает процесс просветления суспензии в точке фокусировки излучения, вследствие чего коэффициент пропускания кюветы возрастает с τ до τ (момент времени t фиг.7). Просветление суспензии можно зарегистрировать с помощью быстродействующего фотоприемника 12, так как на него поступает излучение от источника непрерывного направленного оптического излучения 8, проходящее через точку фокусировки 5. Таким образом, источник непрерывного направленного оптического излучения 8 и быстродействующий фотоприемник 12 являются системой контроля за просветлением суспензии. Такое просветленное состояние суспензии в данном месте может существовать достаточно продолжительное время, так как перемешивание просветленной и не просветленной фракций суспензии происходит только за счет процессов диффузии и тепловой конвекции. Для изменения местоположения просветленной области используется источник неоднородного магнитного поля, выполненный в виде электромагнита, снабженного электронным устройством управления 11. Он может включаться сразу или через некоторое время, задаваемое регулируемой электронной линией задержки 13. Через некоторое время Δt=t-t, определяемое электронной линией задержки, электрический импульс, возникающий на выходе быстродействующего фотоприемника, запускает узел формирования импульса тока для питания (включения) электромагнита. В результате неоднородное магнитное поле электромагнита «выталкивает» просветленную фракцию суспензии из точки фокусировки 5. Таким образом, коэффициент пропускания оптической кюветы, заполненной суспензией, резко уменьшается до τ (фиг.7), следовательно, на выходе кюветы 1 (после собирающей линзы 3) формируется импульс света с заданной длительностью Δt=t-t.
Далее, после следующего момента просветления среды под воздействием мощного направленного светового потока 4 описанный процесс повторяется. Таким образом, получают оптический затвор, работающий в режиме «мультивибратора».
Направленный световой поток 4 может иметь слабую мощность, недостаточную для просветления суспензии. В этом случае устройство для ограничения светового потока снабжается лазером 15 (фиг.2), генерирующим мощное импульсное излучение, способное вызвать просветление суспензии. Излучение лазера, генерирующего импульсное излучение 15, фокусируется третьей дополнительной собирающей линзой 16 в точку фокусировки 5. Как только излучение лазера 15 вызывает просветление суспензии, то коэффициент пропускания кюветы с супензией (для светового потока 4) резко возрастает. Одновременно срабатывает быстродействующий фотоприемник 12, за счет резкого возрастания интенсивности излучения, поступающего на фотоприемник от источника непрерывного направленного оптического излучения 8. Далее по вышеописанной схеме через заранее установленное время срабатывает электромагнит. В результате этого просветленная фракция суспензии выталкивается из точки фокусировки 5 и коэффициент пропускания кюветы с суспензией вновь скачком уменьшается и на выходе кюветы 1 после собирающей линзы 3 появляется световой импульс. Таким образом, получают оптический затвор, работающий в режиме «ждущего мультивибратора». Лазер 15 может генерировать одиночные импульсы или импульсы, следующие с частотой повторения. Следовательно, на выходе кюветы 1 после коллимирования собирающей линзы 3 можно получать управляемые по длительности световые импульсы (либо одиночные, либо импульсы, следующие с частотой повторения).
Таким образом, устройство для ограничения светового потока может работать как оптический ограничитель, так и управляемый светом оптический затвор.