СПОСОБ ОГРАНИЧЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF LIMITING INTENSITY OF LASER RADIATION

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