ПРОТИВОЛАЗЕРНЫЙ ЗАЩИТНЫЙ СВЕТОФИЛЬТР
ANTI-LASER PROTECTIVE LIGHT FILTER

Изобретение относится к области офтальмологии и оптического приборостроения и может быть использовано при изготовлении противолазерных очков, прицелов, зрительных труб, визиров и других приборов визуального наблюдения в качестве средства индивидуальной защиты глаз от прямого, отраженного или рассеянного лазерного излучения.
Широкое внедрение лазерных технологий в многочисленные сферы современной производственной и научной деятельности (от медицины до тяжелого машиностроения и горнодобывающих отраслей) выдвигает весьма актуальную и достаточно сложную техническую задачу надежной защиты глаз обслуживающего персонала от вредного воздействия лазерного излучения в спектральном диапазоне прозрачности оптических сред глаза λ=380-1400 нм.
Так, операторы, обслуживающие лазерные технологические установки, должны быть снабжены средствами индивидуальной защиты (очками), надежно защищающими глаз не только от прямого (фронтального) облучения, но и от наклонных (боковых) лучей в диапазоне углов падения θ=±(0-30°) (ГОСТ Р 12.4.254 - 2010), зеркально отраженных обрабатываемой поверхностью и/или рассеянных на неровностях оборудования рабочей зоны.
Надежная защита от наклонных пучков излучения требуется и персоналу, не занятому непосредственным выполнением лазерных технологических операций, но находящемуся в помещениях, где такие операции выполняются. В этом случае опасность представляет излучение, достигающее глаз под большими углами падения θ вследствие рассеяния поверхностями помещений и находящимся в них оборудованием.
Защита от наклонных потоков лазерного излучения требуется не только для невооруженного глаза, но и для вооруженного телескопическими приборами визуального наблюдения (зрительные трубы, бинокли, прицелы) с расширенным полем зрения. В этом случае к противолазерным защитным светофильтрам предъявляется дополнительное и безусловное требование отсутствия заметного искажения волнового фронта излучения, поступающего в прибор от наблюдаемого объекта. Выполнение этого условия требует применения материалов высоких категорий по оптическим параметрам (однородность, бессвильность, пузырность) и высокого качества изготовления поверхностей [1]:
- отклонение от плоскостности N≤(1-5) интерференционных полос,
- местная ошибка ΔN≤(0,1-0,5) интерференционной полосы,
- допустимая клиновидность Δφ≤(30”-3').
Поэтому для защиты глаз, вооруженных наблюдательным прибором, недопустимо применение светофильтров из прозрачных пластмасс (поликарбонат, полиметилметакрилат и т.п.), которые в отличие от оптических стекол не удовлетворяют высоким требованиям к параметрам оптического качества материала и при обработке не могут обеспечить необходимые требования к значениям N, ΔN и Δφ.
λ
λ
v
-3
-8
В связи с высокой мощностью современных лазерных технологических систем (энергия импульсного излучения - до десятков джоулей, мощность непрерывного излучения - сотни ватт) противолазерные светофильтры, используемые в индивидуальных средствах защиты, должны соответствовать высоким степеням защиты L3-L8. Оптическая плотность светофильтров, обеспечивающая требуемые степени защиты, в соответствии с ГОСТ Р 12.4.254 - 2010 должна составлять на лазерных длинах волн D=(3,0-8,0) Б (спектральные коэффициенты пропускания τ=10-10), причем визуальный коэффициент пропускания светофильтров, гарантирующий достаточно высокую эффективность зрительной работы, должен быть не менее τ=20% (п.4.2.1 ГОСТ Р 12.4.254 - 2010). Кроме того, светофильтры, используемые в противолазерных защитных очках должны иметь возможно меньшие габариты и вес.
λ
λ
λ
Перечисленным выше противоречивым требованиям частично удовлетворяют защитные светофильтры, изготовленные из цветных оптических стекол (ГОСТ 9411-91), имеющих на лазерных длинах волн достаточно высокое значение показателя поглощения k. Угловая характеристика таких светофильтров, т.е. зависимость их оптической плотности D от угла падения излучения θ - D(θ) имеет слабо выраженный возрастающий характер. Это обусловлено увеличением при наклонном падении длины проходимого излучением оптического пути и возрастанием при увеличении θ френелевских потерь потока излучения на границе воздух - оптическая среда.
ик
в
в
λ
Так для защиты от лазерного излучения в ближней ИК-области спектра (λ=780-1400 нм) возможно использование стекол сине-зеленой группы - СЗС-21, СЗС-22, СЗС-26, которые, однако, обеспечивают необходимые степени защиты L3-L8 только при толщинах t>5-6 мм. Для защиты от лазерного излучения в видимой области спектра (λ=380-780 нм) светофильтры из этих стекол должны иметь толщину, превышающую 10-12 мм, т.к. их оптическая плотность в спектральном диапазоне λ при приемлемой толщине t=6 мм не превышает значения D≈2,0 Б, что совершенно недостаточно для высоких степеней защиты L3-L8.
m
Уменьшение толщины противолазерных светофильтров без ухудшения их защитных характеристик (степени защиты L) может быть достигнуто применением двухкомпонентных систем, состоящих из поглощающего светофильтра из цветного оптического стекла и отражающего многослойного диэлектрического покрытия, нанесенного на поглощающий светофильтр или на отдельную деталь - подложку. Длина волны максимума спектрального коэффициента отражения - λ диэлектрического покрытия выбирается равной длине волны лазерного излучения λ, для защиты от которого предназначен противолазерный светофильтр. Достигаемый в этом случае выигрыш в толщине (а следовательно, и в весе) светофильтра поясняется приведенным ниже расчетом.
λ
1λ
2λ
λ
1λ
2λ
1λ
λ
2λ
Если оптическая плотность двухкомпонентного светофильтра, обеспечивающая необходимую степень защиты L, равна D, и при этом оптическая плотность поглощающего компонента светофильтра - D, а оптическая плотность по пропусканию диэлектрического покрытия - D, то имеет место очевидное равенство D=+D. Тогда оптическая плотность поглощающего компонента находится как D=D-D.
λ
1
1λ
Kλ
λ
2λ
λ
Обозначим k показатель поглощения материала поглощающего компонента, тогда его толщина, а следовательно, и толщина самого противолазерного светофильтра (толщина диэлектрического покрытия ничтожно мала) составит t=D/=(D-D)/k.
λ
2
λ
λ
Если же в качестве противолазерного защитного светофильтра используется однокомпонентная система, содержащая только поглощающий светофильтр из того же материала, что и в предыдущем случае, то для обеспечения необходимой оптической плотности D толщина светофильтра должна быть равна t=D/k.
Следовательно, применение комбинированной двухкомпонентной системы, состоящей из поглощающего светофильтра и диэлектрического отражающего покрытия, уменьшает толщину противолазерного защитного светофильтра на величину
2
1
λ/
λ
λ
2λ
λ
2λ
λ
Δt=t-t=Dk-(D-D)/k=D/k.
v
Современные диэлектрические отражающие покрытия обладают незначительным (менее 1%) поглощением излучения вне спектральной полосы отражения [2, 3]. Кроме того, благодаря небольшой ширине полосы отражения (10-50 нм) по сравнению с шириной спектрального диапазона видимого излучения 380-780 нм, диэлектрические покрытия, предназначенные для работы в видимой области, незначительно ослабляют интегральный световой поток, поступающий в глаз при визуальном наблюдении. Поэтому применение диэлектрического покрытия наряду с уменьшением толщины поглощающего компонента увеличивает визуальный коэффициент пропускания τ защитного светофильтра, что, в свою очередь, заметно повышает эффективность зрительной работы наблюдателя, снабженного средством индивидуальной защиты с таким светофильтром.
λ
λ
m
Однако положительный эффект применения отражающих диэлектрических покрытий сопровождается ухудшением угловой характеристики D(θ) защитных светофильтров, так как оптическая плотность по пропусканию D многослойных диэлектрических покрытий (а значит и степень защиты L) на длине волны λ существенно уменьшается при возрастании угла падения излучения θ [2]. Поэтому противолазерный светофильтр, состоящий из поглощающего компонента и диэлектрического покрытия и обеспечивающий надлежащую защиту глаз при нормальном падении излучения (θ=0°), оказывается непригодным в поле лазерного излучения, сформированного наклонными пучками (θ>0).
Таким образом, удовлетворение всех перечисленных требований, предъявляемых к противолазерным защитным светофильтрам, является достаточно сложной технической задачей, не нашедшей до настоящего времени адекватного решения.
v
Так, в частности, известен противолазерный однокомпонентный защитный светофильтр типа Т26, изготавливаемый фирмой LASERVISION из поглощающего стекла, не имеющего отражающего диэлектрического покрытия. Светофильтр Т26 применяется для производимых фирмой защитных очков моделей ЕСО-7, ALL STAR и PROTECTOR, различающихся между собой только типом оправы. Светофильтр предназначен для защиты глаз от лазерного излучения ближней ИК-области спектра в диапазоне длин волн λ=900-1400 нм, где он обеспечивает степени защиты L3-L8. Визуальный коэффициент пропускания светофильтра составляет τ≈35%.
Недостатком светофильтра Т26 является его большая толщина t=7 мм и обусловленный этим значительный вес. Поэтому для облегчения ношения очков с этим светофильтром в модели оправы ALL STAR предусмотрена возможность применения дополнительного головного крепления, снабженного эластичным ремнем.
v
Для защиты от лазерного излучения в расширенном спектральном диапазоне (видимая и ближняя ИК-область) фирма LASERVISION изготавливает противолазерный светофильтр марки S3102, из поглощающего стекла. Этот однокомпонентный светофильтр, не имеющий отражающего покрытия, обладает низким визуальным коэффициентом пропускания τ≈6%. Его толщина весьма значительна - t=11-12 мм, и поэтому в качестве аналога заявленного устройства светофильтр S3102 не рассматривается.
v
Известен также противолазерный двухкомпонентный защитный светофильтр типа Т37, изготавливаемый фирмой LASERVISION (ФРГ) из поглощающего стекла с нанесенным на него диэлектрическим покрытием. Светофильтр Т37 имеет толщину t=9 мм и предназначен для защиты от лазерного излучения с длиной волны λ=532 нм. Фирма-изготовитель применяет светофильтр Т37 в защитных очках моделей ALL STAR, ECO-7, PROTECTOR, отличающихся типом оправы. Отражающее диэлектрическое покрытие светофильтра Т37 имеет максимум спектрального коэффициента отражения на длине волны λ=532 нм, совпадающей с длиной волны лазерного излучения, для защиты от которого светофильтр предназначен. Светофильтр Т37 имеет визуальный коэффициент пропускания τ≈14% и обеспечивает на длине волны λ=532 нм степень защиты, равную L7.
По технической сущности светофильтр Е37 фирмы LASERVISION является прототипом предлагаемого изобретения.
К недостаткам светофильтра Т37 относятся:
- применение отражающего многослойного диэлектрического покрытия с длиной волны максимума спектрального коэффициента отражения, совпадающей с длиной волны лазерного излучения, для защиты от которого предназначен светофильтр. В результате этого при воздействии наклонных пучков излучения, падающих на светофильтр под углами θ>0°, оптическая плотность светофильтра (а значит и обеспечиваемая им степень защиты L) существенно уменьшаются по сравнению с требуемыми значениями, которые имеет светофильтр при θ=0°,
- большая толщина и вес светофильтра, затрудняющие его применение, так как для длительного ношения защитных очков со светофильтрами Т37 требуется применение специальной оправы с дополнительным головным креплением,
v
- низкое значение визуального коэффициента пропускания τ≈14%, что существенно снижает эффективность зрительной работы наблюдателя, использующего светофильтр в сумеречное время суток [4].
Целью изобретения является устранение существенного недостатка противолазерных светофильтров, содержащих многослойное отражающее диэлектрическое покрытие с максимумом спектрального коэффициента отражения, совпадающим с длиной волны излучения, для защиты от которого предназначен светофильтр. Недостаток таких светофильтров состоит в быстром и систематическом уменьшении их оптической плотности (а значит и степени защиты) при увеличении угла падения излучения.
Поставленная цель изобретения достигается тем, что в противолазерном защитном светофильтре для защиты глаз от лазерного излучения в спектральной области 380-1400 нм, включающем поглощающий излучение компонент и отражающее многослойное диэлектрическое покрытие, длина волны максимума спектрального коэффициента отражения покрытия смещена в длинноволновую область спектра относительно длины волны воздействующего лазерного излучения на величину, равную δ=0,2-0,3 от полуширины спектральной полосы отражения диэлектрического покрытия.
Сущность предлагаемого технического решения поясняет рис.1, в левой части которого (см. кривые I и II) приведены два варианта типичных спектральных характеристик R(λ) отражающих многослойных диэлектрических покрытий при нормальном (θ=0°) падении излучения.
m
m1
m2
Оба покрытия предназначены для защитных светофильтров от лазерного излучения с длиной волны λ=539 нм, имеют одинаковую полуширину спектральной полосы отражения Δλ/2=50 нм и различаются только длиной волны максимума спектрального коэффициента отражения λ. У первого покрытия (кривая I) значение λ=545 нм смещено относительно длины волны лазерного излучения в длинноволновую область спектра на величину δ=9,3(Δλ/2)=15 нм. У второго покрытия (кривая II) λ=530 нм совпадает с длиной волны лазерного излучения.
λ
λ
По оси ординат рис.1 отложены относительные значения спектральных коэффициентов отражения R, причем максимальные значения R обоих покрытий приняты за единицу. По оси абсцисс правой части рис.1, где строятся угловые характеристики R(θ) покрытий I и II, отложены значения углов падения излучения θ, а на оси абсцисс левой части в верхнем ряду значений приведены величины δλ, на которые смещается максимум коэффициента отражения покрытий при изменении угла падения θ.
При нормальном падении излучения (θ=0°) на поверхность диэлектрического покрытия 1 относительное значение его коэффициента отражения на длине волны λ=539 нм соответствует ординате точки 1 кривой R(λ). Координаты точки 1' функции R(θ) при нормальном падении определяются на рис.1 из условия:
- ордината точки 1' равна ординате точки 1,
- абсцисса точки 1' равна θ=0°.
Предположим, что угол падения излучения увеличился по сравнению с нормальным падением на δθ=5° и составил θ=5°. Тогда спектральная полоса R(λ) покрытия 1 и максимум его коэффициента отражения сместятся в коротковолновую область спектра [2] (на рис.1 влево) на величину δλ, и значение коэффициента отражения этого покрытия на λ=539 нм - R(λ=539) будет соответствовать ординате точки 2 кривой I. Точку 2' функции R(θ) найдем на пересечении ординаты точки 2 и абсциссы θ=5°.
Если угол падения излучения увеличится еще на δθ=5° и составит θ=10°, то кривая R(λ) покрытия 1, сместившись в коротковолновую область на величину δλ относительно предыдущего значения, займет положение, при котором R(λ=530) будет соответствовать точке 3 кривой I. Точку 3' угловой зависимости R(θ) находим на пересечении ординаты точки 3 и абсциссы θ=10°.
m1
Аналогично определяются координаты остальных пар точек 4-4'; 5-5'; …; 9-9', и в диапазоне углов падения θ=0°-40° находится (см. кривую I' рис.1) функция угловой зависимости R(θ) диэлектрического покрытия, длина волны максимума спектрального коэффициента отражения которого λ=545 нм смещена в длинноволновую область относительно длины волны воздействующего излучения λ=530 нм.
m2
Если описанную процедуру применить к спектральной характеристике R(λ) покрытия II (точки 1а-6а), то получим угловую зависимость R(θ) (кривая II') диэлектрического покрытия, длина волны максимума спектрального коэффициента отражения которого λ≈530 нм совпадает с длиной волны лазерного излучения.
λ
Таким образом, описанное теоретическое рассмотрение убедительно показывает, что увеличение угла падения излучения θ на диэлектрическое покрытие типа 1 не приводит к быстрому и систематическому уменьшению его коэффициента отражения R, как это имеет место [2] у покрытий типа II с длиной волны максимума коэффициента отражения, совпадающим с рабочей длиной волны λ защитного светофильтра.
λ
λ
λ
λ
λ
λ
λ
λ
λ
λ
λ
Современные многослойные диэлектрические покрытия являются слабо поглощающими и практически не рассеивающими излучение средами [2, 3]. Поэтому между их спектральными коэффициентами отражения R и пропускания τ существует приближенное равенство: R≈1-τ. Тогда τ=1-R, а оптическая плотность покрытия D, определяющая его степень защиты L, составит D=-lg(1-R). Следовательно, увеличение угла падения излучения, не вызывающее, как показано выше, уменьшения R, не приводит и к аналогичному снижению оптической плотности D диэлектрического покрытия, максимум спектрального коэффициента отражения которого сдвинут в длинноволновую область относительно рабочей длины волны (в рассмотренном случае относительно λ=530 нм).
Аналогичная взаимосвязь спектральных R(λ) и угловых R(θ) характеристик имеет место и у диэлектрических покрытий, предназначенных для защиты от лазерного излучения не только на длине волны λ=530 нм, но и на любой другой в диапазоне λ=380-1400 нм, если геометрия спектральных характеристик этих покрытий R(λ) подобна приведенной на рис.1. Возможность практического изготовления таких покрытий иллюстрирует рис.2, подробно рассматриваемый ниже.
8
3
m
Для экспериментальной проверки предложенного технического решения были изготовлены два многослойных диэлектрических покрытия типа (5ВН)5В из чередующихся слоев сернистого цинка (ZnS-В) и фтористого иттрия (YF-Н), нанесенных на плоскопараллельную подложку из стекла К-8. На рис.2 приведена спектральная характеристика R(λ) покрытия, измеренная на прецизионном спектрофотометре Lambda-9 (производство фирмы Perkin Elmer, США). Из рисунка видно, что у этого покрытия длины волн максимумов λ коэффициентов отражения смещены в длинноволновую область относительно лазерных длин волн λ=530, 693 и 1060 нм на величину δ, равную соответственно 12, 10 и 18 нм. По отношению к полуширине Δλ/2 соответствующих полос отражения такое смещение составит:
для λ=530 нм-12 нм/40 нм=0,3 (Δλ/2),
для λ=693 нм-10 нм/52 нм=0,19 (Δλ/2),
для λ=1060 нм-18 нм/66 нм=0,27 (Δλ/2).
Второе покрытие было того же типа, что и на рис.2, но центры его полос отражения совпадали с лазерными длинами волн.
λ
Угловые характеристики D(θ) обоих покрытий были измерены экспериментально на фотометрической установке, содержащей гониометрический стол для изменения и точного измерения углов падения лазерного излучения в пределах θ=0-45°. Источниками излучения служили твердотельные лазеры, работающие на рубине (λ=693 нм) и стекле, активированном неодимом (λ=1060 нм). Для генерации излучения на длине волны λ=530 нм применялся удвоитель частоты излучения неодимового лазера на кристалле KDP.
λ
m
m
Результаты экспериментальных исследований приведены на рис.3, где сплошные кривые - это зависимость D(θ) диэлектрического покрытия, значения λ которого смещены в длинноволновую область относительно длины волны лазерного излучения λ (см. рис.2); пунктирные кривые - характеристики покрытия, у которого λ=λ.
m
λ
λ
Сравнение угловых характеристик, приведенных на рис.3, убедительно показывает, что диэлектрическое покрытие противолазерного защитного светофильтра, изготовленного в соответствии с заявленным техническим решением, обладает существенным преимуществом по сравнению с диэлектрическим покрытием устройства-прототипа, у которого длина волны максимума спектрального коэффициента отражения λ совпадает с длиной волны воздействующего лазерного излучения λ=530 нм. В первом случае (сплошные кривые на рис.3) не наблюдается существенного и систематического уменьшения значений D при изменении углов падения θ от 0 до 30°. Во втором случае (пунктирные кривые) резкое и систематическое падение оптической плотности D имеет явно выраженный характер.
Таким образом, предложенное техническое решение обладает существенным преимуществом перед устройством-прототипом, так как заявляемый противолазерный защитный светофильтр, снабженный описанным отражающим диэлектрическим покрытием, позволяет надежно защитить глаза наблюдателей не только от прямого (фронтального) облучения, но и от наклонных (боковых) лучей при углах падения θ=±(0-30°), т.е. в пределах углового поля зрения 2θ=60°.
При практической реализации заявленного устройства для изготовления его поглощающего компонента могут быть использованы следующие цветные оптические стекла отечественного производства (ГОСТ 9411-91) или их зарубежные аналоги:
- в спектральной области λ=380-580 нм стекла желтой или оранжевой групп марок ЖС-3, 4, 10-12, 16-18; ОС-5, 11-14, 23 и пурпурное стекло марки ПС-7;
- в спектральной области λ=580-640 нм стекла сине-зеленой группы марок СЗС-3, 8, 9, 20 и красные стекла марок КС-10, 11, 13;
- в спектральной области λ=640-1400 нм стекла сине-зеленой группы марок СЗС-3, 8, 9, 21, 22, 25, 26.
8
m
Были испытаны три опытных образца противолазерных защитных светофильтров, изготовленных в соответствии с предложенным техническим решением. Поглощающими компонентами в этих светофильтрах служили плоскопараллельные пластины-подложки из цветных стекол ОС-23 (λ=530 нм), СЗС-21 (λ=693 нм) и СЗС-26 (λ=1060 нм). В качестве диэлектрического покрытия использовалась многослойная система (5BH)5B, электровакуумная технология нанесения которой обеспечивала точное воспроизведение спектральных характеристик рис.2 по спектральной ширине полос отражения и взаимному расположению параметров λ и λ.
Результаты испытаний опытных образцов приведены в таблице, в которой сравниваются параметры предложенного противолазерного защитного светофильтра и светофильтра-прототипа Т37 фирмы LASERVISION.
Таким образом, результаты испытаний опытных образцов светофильтров и экспериментальные результаты исследования диэлектрического покрытия, входящего в состав светофильтров, показывают, что по отношению к объекту-прототипу заявленное техническое решение «Противолазерный защитный светофильтр» имеет существенные преимущества и новизну, состоящие в следующем.
Таблица
Результаты испытаний опытных образцов «Противолазерного защитного светофильтра».
Параметры светофильтров
Прототип-светофильтр Т37
Заявленное устройство
Номер образца
1
2
3
Рабочая длина волны, λ, нм
532
530
693
1060
Оптическая плотность, D<sub>λ</sub>, Бел
7,3
8,1
7,8
9,2
Степень защиты, L
L7
L8
L7-L8
L9
Визуальный коэффициент пропускания, τ<sub>v</sub>, %
14
34
41
65
Толщина поглощающего компонента, t, мм
9,0
4,9
4,9
4,3
Марка стекла поглощающего компонента
-
ОС-23
СЗС-21
СЗС-26
λ
m
1. У заявленного светофильтра отсутствует резкое и систематическое уменьшение оптической плотности D при увеличении углов падения излучения в пределах θ=±(0-30°), т.е. предложенный светофильтр обеспечивает необходимую степень защиты в угловом поле зрения 2θ=60°. Отмеченное преимущество достигается благодаря применению диэлектрического покрытия, максимум спектрального коэффициента отражения которого λ смещен в длинноволновую область относительно длины волны воздействующего излучения λ на величину, составляющую (0,2-0,3) от полуширины спектральной полосы отражения.
2. Заявленный светофильтр имеет существенно меньшую (почти в 2 раза) толщину, а значит и вес, по сравнению со светофильтром-прототипом Т37. Благодаря этому применение заявленного светофильтра в противолазерных очках не потребует специализированной оправы с дополнительным головным креплением.
v
v
3. Заявленный светофильтр имеет существенно больший визуальный коэффициент пропускания (τ>30%), чем светофильтр-прототип Т37 (τ=14%). Благодаря - этому эффективность зрительной работы наблюдателя, использующего заявленный светофильтр в сумеречное время суток, будет практически такой же, как и в дневное время [4].
В качестве материала для изготовления заявленного «Противолазерного защитного светофильтра» предложены цветные стекла, высокие параметры оптических характеристик которых гарантированы ГОСТ 9411-91. Это, а также достаточная толщина светофильтров t>4 мм, позволяет изготавливать их в соответствии с требованиями минимально допустимого искажения волнового фронта излучения, проходящего через светофильтр при работе с приборами визуального наблюдения.
ЛИТЕРАТУРА
1. М.Д.Мальцев. Расчет допусков на оптические детали. М., «Машиностроение», 1974, 68 с.
2. Т.Н.Крылова. Интерференционные покрытия. Л., «Машиностроение», 1973, 224 с.
3. Л.Б.Кацнельсон, Ш.А.Фурман. ОМП, №12, 1973, с.19.
4. Н.П.Травникова. Эффективность визуального поиска. М., «Машиностроение», 1985, 128 с.