ЖИДКОСТНЫЙ НАНОСВЕТОВОД
LIQUID LIGHT WAVEGUIDE

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к устройствам для передачи лазерного излучения. Изобретение предназначено для транспортировки лазерного излучения большой мощности.
Современное развитие лазерной техники затрагивает практически все стороны человеческой деятельности. Особое место в применении лазеров занимает транспортировка лазерного излучения на большие расстояния (оптическая связь, Интернет) с использованием волоконных световодов. Тем не менее, ввиду недостаточной лучевой прочности материалов световодов, остается не решенной задача передачи через них лазерного излучения большой мощности [1, 2]. Вместе с тем, остаются актуальными проблемы альтернативной передачи энергии с помощью лазерного излучения взамен дорогостоящих высоковольтных воздушных и кабельных линий электропередач - между различными отдаленными областями Российской Федерации и разными странами. Не найдены решения передачи оптической энергии с Земли на космические объекты и обратно на Землю с космических солнечных платформ, утилизирующих энергию солнечного излучения.
В
КВ
св
Выход из этой ситуации может заключаться в использовании в указанных целях полых световодов, которые заполнены жидкостью, стойкой по отношению к действию мощного излучения. Такого рода подходящей жидкостью, прозрачной в видимой и в смежных частях спектра, может служить вода или водные растворы. Препятствием к применению этих жидкостей для заполнения световодов с обычно применяемой кварцевой оболочкой является более низкий показатель преломления воды и водных растворов n≈1,33, чем для плавленого кварца с n=1,45-1,46 [3]. Функционирование жидкостного световода с кварцевой оболочкой возможно только при достижении на ней полного отражения света, когда показатель преломления заполняющей жидкости выше показателя преломления оболочки световода n.
В
св
Необходимый эффект снижения показателя преломления оболочки полого световода может быть достигнут при нанесении на ее внутреннюю поверхность специального покрытия на основе углеродных нанотрубок, что является техническим предметом предлагаемого изобретения. При этом в случае применения воды или водных растворов можно обеспечить превышение значения n над величиной n.
Известен способ применения лазерного излучения и ориентирующего электрического поля для имплантации углеродных нанотрубок в подложку из стекла, оргстекла, кварца, щелочно-галоидных кристаллов и полупроводниковых материалов с целью увеличения пропускания излучения в подложке за счет снижения коэффициента отражения и показателя преломления материала подложки [4].
Недостатками этого способа нанесения оптического покрытия на внутреннюю оболочку жидкостного световода являются сложность и высокая стоимость лазерной имплантации нанотрубок, а также сложность нанесения покрытия с использованием лазерного излучения на внутреннюю оболочку протяженных световодов, которые могут применяться на практике.
Известен способ изготовления и использования жидкостного наносветовода, заполненного жидкостью, предназначенного для исследования вынужденного поверхностного комбинационного рассеяния. При этом на шероховатую поверхность внутренней оболочки такого световода посредством химической реакции или при световом воздействии осаждались металлические наночастицы с целью снижения показателя преломления и увеличения пропускания внутренней оболочки для увеличения эффективности комбинационного рассеяния [5].
Недостатками такого способа изготовления световода являются сложность и большая стоимость нанесения металлических наночастиц на внутреннюю поверхность оболочки, а также низкая коррозионная стойкость металлического покрытия внутренней оболочки световода.
Т
Известен полый жидкостный световод с пластмассовой, в частности тефлоновой, оболочкой с показателем преломления n≈1,3, сердцевина которого заполнена водой или водными растворами, обеспечивающий транспортирование лазерного излучения [6]. Это устройство выбрано в качестве прототипа.
Недостатком такого световода являются большие потери лазерного излучения ~1 дБ/м, что делает нецелесообразным их применение для транспортировки лазерного излучения на большие расстояния [7].
Задача изобретения - обеспечение транспортировки мощного лазерного излучения через полый наносветовод. С этой целью предлагается наносветовод, сердцевина которого полностью заполнена прозрачной жидкостью с показателем преломления, большим показателя преломления оболочки, представляющую собой воду или водные растворы, с прозрачными окошками на торцах наносветовода, причем для получения полного отражения в наносветоводе на внутреннюю поверхность его цилиндрической оболочки нанесено покрытие, содержащее углеродные нанотрубки.
Жидкостный наносветовод содержит цилиндрическую оболочку и сердцевину, заполненную прозрачной жидкостью с показателем преломления, большим показателя преломления оболочки, представляющей собой воду или водные растворы, с прозрачными окошками на торцах наносветовода, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность оболочки наносветовода нанесено покрытие, содержащее углеродные нанотрубки. Концентрация углеродных нанотрубок в составе покрытия находится в пределах от 0,005 до 1 мас.%, а также возможен вариант, при котором концентрация углеродных нанотрубок в составе покрытия находится в пределах от 0,005 до 1 мас.%, а полимер - остальное. На внешнюю поверхность оболочки наносветовода нанесено внешнее защитное покрытие. Использован материал, прозрачный в области длин волн от 0,3 до 1,5 мкм в качестве материала окошек. Прозрачная жидкость, заполняющая наносветовод, находится в состоянии покоя. На его окошки с внешних сторон нанесено просветляющее покрытие.
Предлагаемое устройство жидкостного наносветовода иллюстрируется следующим графическим материалом (фиг.1). Жидкостной наносветовод содержит сердцевину 1, заполненную водой или водным раствором, которая с двух концов соединена с двумя прозрачными окошками 2 и расположена внутри цилиндрической оболочки 3, которая имеет внешнее защитное покрытие 4. На внутреннюю поверхность 5 цилиндрической оболочки 3 нанесено покрытие 6. На одном из концов оболочки закреплена муфта 7. Сердцевина 1 может быть выполнена из воды или водного раствора. Наружный диаметр сердцевины 1 может быть в диапазоне от 5 до 50 мм.
Окошки 2 могут быть изготовлены из плавленого кварца, сапфира и оптического стекла, прозрачных в области длин волн от 0,3 до 1,5 мкм. Показатель преломления материала окошек из аналогичного материала может находиться в пределах от 1,4 до 1,8 на длинах волн от 0,3 до 1,5 мкм. На окошки с внешних сторон может быть нанесено просветляющее покрытие. Цилиндрическая оболочка 3 может быть выполнена из плавленого кварца или стекла и иметь толщину стенок порядка от 1 до 5 мм, наружный диаметр цилиндрической оболочки 3 может быть в диапазоне от 7 до 60 мм. Внешнее защитное покрытие 4 цилиндрической оболочки 3 может быть выполнено из фторопласта. В состав покрытия 6 входят углеродные нанотрубки.
Соединение и герметизация цилиндрической оболочки 3 с прозрачными окошками 2 осуществляется за счет дополнительного уплотнения, которое может быть выполнено из резины или фоторопласта. Соединение цилиндрической оболочки 3 с муфтой 7 осуществляется за счет дополнительного уплотнения, которое также может быть выполнено из резины и фоторопласта. В зоне этого соединения внешнее защитное покрытие 4 с цилиндрической оболочкой 3 снимают.
Выбор концентрации углеродных нанотрубок в составе покрытия 6 в пределах от 0,005 до 1 мас.% позволяет уменьшить показатель преломления цилиндрической оболочки 3 наносветовода ниже показателя преломления жидкости для эффективной передачи лазерного излучения через наносветовод.
Выбор концентрации углеродных нанотрубок в составе покрытия 6 в пределах от 0,005 до 1 мас.%, полимер - остальное, также позволяет уменьшить показатель преломления цилиндрической оболочки 3 наносветовода 1 ниже показателя преломления жидкости, заполняющей наносветовод, для эффективной передачи лазерного излучения через наносветовод.
Нанесение защитного покрытия 4, например из фторопласта, на внешнюю поверхность цилиндрической оболочки 3 наносветовода 1 предохраняет наносветовод от вредного воздействия внешней механической нагрузки и уменьшает тепловое взаимодействие с окружающей средой, которое может привести к снижению эффективности передачи лазерного излучения через наносветовод.
Выбор материала окошек 2, например, из таких доступных материалов, как плавленый кварц, сапфир и оптическое стекло, прозрачных в области длин волн от 0,3 до 1,5 мкм, позволяет увеличить эффективность передачи лазерного излучения через жидкостный наносветовод.
Выбор показателя преломления материала окошек 2, например, из плавленого кварца, сапфира, оптического стекла, в пределах от 1,4 до 1,8 на длинах волн от 0,3 до 1,5 мкм позволяет использовать широкодоступные прозрачные материалы окошка.
Выбор состояния покоя прозрачной жидкости в сердцевине 1 жидкостного наносветовода исключает возможность возникновения возмущений в жидкости, заполняющей наносветовод, что может приводить к снижению эффективности передачи лазерного излучения через наносветовод.
Нанесение с внешней стороны окошек 2 просветляющего покрытия, например, из фторида магния, фторполимеров, мезопористых наночастиц диоксида кремния, которая уменьшает отражение излучения в материале окошек, увеличивает эффективность передачи лазерного излучения через наносветовод.
Устройство работает по следующему принципу.
При помощи муфты 7 наносветовод крепят к внешнему источнику лазерного излучения (не показан).
Лазерное излучение проходит через сердцевину 1 с жидкостью под действием полного отражения от внутренней поверхности 5 цилиндрической оболочки 3 с нанесенным покрытием 6, в состав которого вносят углеродные нанотрубки, благодаря чему показатель преломления оболочки 3 с покрытием 6 становится меньше показателя преломления заполняющей жидкости: воды или водного раствора.
Для нанесения покрытия 6 с углеродными нанотрубками на внутреннюю поверхность 5 цилиндрической оболочки 3 могут быть использованы несколько способов, в частности покрытие может быть нанесено путем экструзии расплава полимера с нанотрубками из щелевой головки. Такой метод широко используется для нанесения различных покрытий. Он экономичен и хорошо поддается механизации, не требуя наличия сложного оборудования и постоянного высококвалифицированного контроля [8].
Используемый полимер должен быть прозрачен для лазерного излучения. Такими, полимерами, например, могут быть полиметилметакрилат, полистирол или поликарбонат [3].
Другой способ нанесения покрытия 6 с углеродными нанотрубками на внутреннюю поверхность 5 цилиндрической оболочки 3 может состоять в импульсном лазерном осаждении нанокристаллических и аморфных пленок с углеродными нанотрубками при управлении толщиной покрытия при низкой температуре подложки [9].
Для нанесения покрытия 6 с углеродными нанотрубками на внутреннюю поверхность 5 цилиндрической оболочки 3 наносветовода 1 может использоваться напыление нанотрубок с размещенной по оси цилиндрической оболочки проволоки 12 с нанесенными на ее внешнюю поверхность нанотрубками при пропускании через проволоку электрического тока. Способ такого нанесения иллюстрирует фиг.2. Проволока 12 может быть изготовлена из никеля и иметь толщину от 1 до 5 мм. Сила тока может быть в диапазоне от 1 до 100 А для нагрева проволоки до 200-500°С. Время нанесения нанотрубок может составлять от 1 до 10 с. Во избежание окисления углеродных нанотрубок при их нанесении на оболочку световода нанесение нанотрубок может происходить в вакууме или в атмосфере инертного газа.
Напыление нанотрубок на внутреннюю поверхность 5 цилиндрической оболочки 3 может также осуществляться с размещенной по оси цилиндрической оболочки трубки 15 из никеля с нанесенными на ее внешнюю поверхность нанотрубками, причем внутри трубки располагают звукопровод 16, а на звукопровод подают ультразвуковое излучение (фиг.3) с частотой в диапазоне от 10 до 100 кГц при мощности от 300 до 1000 Вт.
На никелевую проволоку 12 или на никелевую трубку 15 наносят состав с углеродными нанотрубками путем ультразвукового термического распыления с помощью ультразвукового рупора, работающего на частоте от 10 до 100 кГц, при мощности от 300 до 1000 Вт. Перед нанесением сухой порошок углеродных нанотрубок добавляют во флакон с жидкостью при концентрации нанотрубок, причем флакон держат в водяной бане со льдом.
Благодаря новому техническому решению по конструкции полого жидкостного наносветовода, полностью заполненного прозрачной жидкостью с показателем преломления, большим показателя преломления оболочки, например водой или водными растворами, с прозрачными окошками на торцах наносветовода, на внутреннюю поверхность цилиндрической оболочки которого наносят покрытие, содержащее углеродные нанотрубки, создается возможность создания достаточно протяженных жидкостных наносветоводов для транспортировки мощного лазерного излучения.
Источники информации
1. Физическая энциклопедия. В 5-ти томах // М.: Советская энциклопедия. Гл. редактор Прохоров A.M., 1988.
2. Сорокин Ю.М. Оптические потери в световодах // Н. Новгород: ННГУ, 2000, 324 с.
3. Серова В.Н. Полимерные оптические материалы // М.: НОТ, 2011, 384 с.
4. Патент РФ №2355001.
5. Патент Китая №1448742.
6. Европейский патент №027054 - прототип.
7. R. Altkhorn, I. Koev, R.P. Van Duyne, М. Litorja. - Appl. Optics, 1997, v.36, No.34, p.8992-8998.
8. Шварц О., Эбелинг Ф.В., Фурт Б. Переработка пластмасс / Под. ред. Паниматченко А.Д. // СПб: Профессия, 2005, 320 с.
9. Чулков Д.В., Франгулов С.В. Исследование возможности нанесения многослойных нанопокрытий на внутреннюю поверхность длинных туб малого диаметра методом импульсного лазерного осаждения. - Ползуновский альманах, 2009, т.2, №3, с.87-90.