ОПТИЧЕСКИЙ ПАССИВНЫЙ ЗАТВОР
PASSIVE OPTICAL SHUTTER

Изобретение относится к оптической и оптоэлектронной технике, к устройствам предохранения фоточувствительных элементов оптических и оптоэлектронных систем от разрушающего воздействия мощного излучения.
Для защиты чувствительных приемников излучений от повреждения мощным излучением исследуется применение золей или тонких пленок, содержащих наночастицы углерода или металлов [Каманина Н.В. Фотофизика фуллереносодержащих сред: ограничители лазерного излучения, дифракционные элементы, диспергированные жидкокристаллические модуляторы света. // Нанотехника. №1, 2006]. Излучение проходит через золь или пленку, обладающую прозрачностью 50-70%, к защищаемому приемнику; при увеличении интенсивности излучения его поглощение в среде нелинейно увеличивается до практически полной непрозрачности среды, и приемник оказывается защищенным от повреждения мощным излучением. Недостатком такой защиты является инерционность наступления защитного эффекта, которая составляет 10-100 нс и более. Причина инерционности принципиально не устранима и обусловлена значительным объемом среды, в которой должна быть поглощена световая энергия падающего излучения для наступления нелинейного поглощения света.
Известно также другое устройство, которое выбрано прототипом заявленного. Подвергаемую абляции лазерным излучением зеркальную металлическую пленку на пленочной полимерной подложке используют в качестве пассивного затвора для предохранения чувствительных элементов фотоприемников [Cohnatal.,US Patent 4,719,342, January 12, 1988]. Металлическая пленка на прозрачной полимерной пленочной подложке помещается на пути светового пучка в фокальной плоскости объектива фотоприемного устройства; отражаемый от зеркальной пленки свет с помощью дополнительной оптики формирует изображение на поверхности чувствительного фотоприемника; при увеличении интенсивности падающего излучения в пленке прожигается отверстие, излучение после этого проходит в отверстие, не отражаясь от зеркальной пленки и не попадает к фотоприемнику; фотоприемник оказывается не поврежденным излучением. В данном техническом решении излучение производит необходимый для защиты приемников эффект, поглощаясь в слое среды толщиной порядка толщины скин-слоя в металле, то есть в слое приблизительно в 100 раз меньшем, чем в аналоге.
Недостатками прототипа являются значительная величина пороговой интенсивности излучения, при которой за счет абляции прожигается отверстие в зеркале - отражателе оптического затвора, и, следовательно, низкая чувствительность к поражающим фоточувствительные элементы факторам.
Задачей, решаемой данным предложением, является увеличение быстродействия затвора и уменьшение пороговой интенсивности излучения срабатывания затвора.
Задача решается тем, что в предлагаемом оптическом пассивном затворе, содержащем, удаляемую сфокусированным излучением зеркальную металлическую пленку на подложке, установленной в плоскости промежуточного действительного изображения оптической системы приемника излучения, в соответствии с изобретением подслоем зеркальной пленки является слой терморазлагающегося с выделением газов химического соединения.
Предлагается также, что материал подслоя обладает свойством при облучении терморазлагаться с высвобождением тепла.
Предлагается также, что подслой выполнен в виде совокупности островков.
На Фиг.1 приведен пример конструкции предлагаемого пассивного затвора как ограничителя излучения, на Фиг.2 показана первая фаза работы затвора - нагревание структуры падающим излучением, на Фиг.3 показана вторая фаза работы затвора - термораспад подслоя и удаление газообразными продуктами распада зеркального слоя, Фиг.4 иллюстрирует конструкцию и функционирование пассивного затвора при падении излучения на тыльную сторону подложки, Фиг.5 показывает выполнение подслоя в виде совокупности островков. Обозначения на рисунках:
- на фиг.1: 1 - металлическая впоследствии локально удаляемая действием излучения зеркальная пленка; 2 - подложка; 3 - терморазлагающийся подслой, 4 и 5 - падающее и отраженное излучения.
На последующих фигурах одинаково обозначены аналогичные друг другу элементы:
- на фиг.2: 6 - нагретая излучением зона зеркального слоя 1; 7 - нагретая за счет теплопроводности зона подслоя 3;
- на фиг.3: 8 - отверстие в зеркальной пленке 1, 9 - удаленный участок подслоя 3 при термораспаде;
- на фиг.4: 10 - прозрачная подложка структуры затвора, на которую излучение падает с тыльной, противоположной размещению структуры затвора, стороны;
- на фиг.5: 11 - зеркальный слой, нанесен на структуру островков подслоя и повторяет форму островков, 12 - подслой в виде совокупности островков, 13 - отверстия в зеркальном слое, образовавшиеся при диссоциации вещества подслоя и разрушения зеркального слоя в местах островков, 14 - оставшиеся между островками участки зеркального слоя 11.
Рассмотрим работу устройства.
Подложку 2 со структурами затвора 1 и 3 располагают в плоскости промежуточного действительного изображения сцены наблюдения наблюдательного оптического устройства, не показанного на фигурах. Ослепляющее сфокусированное излучение 4 падает на зеркальный слой 1 структуры (Фиг.1), отражается в виде пучка 5. Под действием излучения (Фиг.2) прогреваются участок 6 зеркального слоя 1 и за счет теплопроводности область 7 подслоя (первая фаза работы затвора).
При достижении температуры терморазложения химического соединения, являющегося основой состава терморазлагающегося подслоя 3, выделяются газообразные продукты реакции разложения. Давления продуктов реакции достаточно для разрушения зеркального слоя, на фиг.3 - 9 - область диссоциации подслоя, 8 - образующееся отверстие в зеркальном слое. Образование отверстия 8 приводит к нарушению зеркального отражения в этом месте, к чувствительному приемнику излучения сфокусированное в область отверстия ослепляющее излучение не проходит. Разрушение зеркального слоя при подходящем выборе химического соединения может происходить при меньшей энергии падающего излучения, чем необходимо для локального удаления зеркального слоя лазерной сублимацией, то есть порог срабатывания пассивного затвора уменьшится.
Излучение на зеркальный слой может быть направлено со стороны подложки, как показано на Фиг.4. При этом ослепляющее излучение проходит также через подслой, который должен быть прозрачным. Механизм срабатывания затвора при этом остается прежним, как и при падении излучения на подложку со стороны зеркального слоя
2
10
20
2
28
3
8
Примерами терморазлагающихся химических соединений могут быть карбонилы металлов. Декакарбонилдирения диссоциирует в соответствии с реакцией: Re(CO)=2Re+10CO, диссоциация одной молекулы приводит к появлению десяти молекул угарного газа. Высокая скорость диссоциации имеет место при температуре вещества 700К. Если диссоциации подвергся слой толщиной 0,1 мкм, в котором содержится N=2,8·10мoлeкyл/м декакарбонила, то концентрация молекул угарного газа после диссоциации в объеме этого слоя равна n=10N/d=2,8·10 молоку л/м. Давление угарного газа в слое p=nkT(k - постоянная Больцмана, Т - термодинамическая температура газа); при температуре Т=700 К давление p=7,5·10 Па (7500 атм); этого давления достаточно для разрушения и удаления участка зеркального слоя, расположенного на разлагающемся участке подслоя.
В соответствии с п.2 Формулы предлагается выполнить подслой из химического соединения, разлагающегося с выделением тепла. Подобные соединения после инициирования разложения внешним нагреванием дополнительно нагреваются выделяющимся в ходе реакции теплом, реакция разложения далее идет с самоускорением, в ряде случаев, в виде взрыва. При использовании подобного соединения начало реакции инициируется на начальной стадии нагревания зеркального слоя ослепляющим импульсом излучения, в дальнейшем химическая реакция не требует внешнего подогрева излучением, развивается самопроизвольно. Выделяющиеся газы разрушают зеркальный слой своим избыточным давлением, время протекания разрушения характерно для взрывных процессов; это время может быть меньше длительности ослепляющего импульса, что приведет к улучшению эффективности защиты затвором фоточувствительных структур и дальнейшему уменьшению порога срабатывания затвора.
В соответствии с п.3 Формулы пленка подслоя представляет собой массив островков, что исключает распространение волны детонации вдоль поверхности подложки по подслою при инициации диссоциации подслоя излучением. Предпочтительно периодичность расположения и размеры островков должны составлять малую долю размера изображения ослепляющего источника излучения на поверхности со структурой затвора, заполнение всего подслоя островками необходимо максимально возможным и близким к 90%-100%, так как оставшиеся в промежутках между островками участки зеркального слоя ослабляют эффективность защиты.
3
2
Примерами подобных химических соединений могут быть азиды щелочных металлов, свинца. Реакция диссоциации азида натрия следующая: NaN→Na+1,5N+Q где Q - тепловыделение при диссоциации.
-11
Технология нанесения слоев азидов может быть жидкостной, осаждением из растворов или путем реализации жидкостной химической реакции. Скорость детонации некоторых азидов может составлять 5000 м/с, что при распространении волны детонации поперек подслоя толщиной 0,1 мкм дает время диссоциации порядка 2·10 с, температура вспышки порядка 300°С.
Как видно из приведенных примеров, температуры быстрого образования газовой фазы при использовании термически диссоциирующих химических соединений существенно меньше температур лазерной сублимации зеркальных металлических покрытий, что уменьшает порог срабатывания затвора и время его срабатывания на порядок (можно сравнить с сублимацией пленок металлов с высоким коэффициентом отражения - температуры кипения алюминия и серебра 2621 К и 2436 К).
Для реализации изобретения можно использовать для зеркальной пленки металлы типа алюминия, серебра, магния, в качестве терморазлагающихся соединений - упомянутые в тексте карбонилы металлов или азиды металлов, подложка может быть стеклянная.
Расчеты показывают, что при использовании предложенных технических решений порог срабатывания противоослепляющего затвора уменьшится на порядок величины, скорость срабатывания увеличится на порядок в сравнении с прототипом.
Таким образом, показано, что отличительные особенности изобретения позволяют решить поставленные задачи.
Оптический пассивный затвор может найти применение в оптоэлектронике в качестве оптического предохранителя, предохраняющего от возможных лучевых повреждений фотоприемные устройства.
Технический результат изобретения состоит в создании оптического затвора - ограничителя излучений с субнаносекундной инерционностью, работающего в широком спектральном диапазоне и имеющего пониженный порог срабатывания.