Оптический ограничитель

ОПТИЧЕСКИЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ
Изобретение относится к оптике и может быть использовано в лазерной технике.
Известен ограничитель лазерного излучения 1, состоящий из нелинейной среды в виде раствора красителей (или фуллеренов), слабо поглощающего излучение при низких уровнях светового воздействия и фокусирующей системы, выполненной в виде двух софокусных линз. Ограничение интенсивности в таком устройстве происходит при фокусировке излучения в нелинейную среду, что приводит к поглощению воздействующего излучения возбужденным состоянием красителя (фуллерена) за время действия импульса и рассеянию на светоиндуцированных неоднородностях, обусловленных изменением показателя преломления жидкости. Недостатком аналога является громоздкость конструкции.
Известен ограничитель лазерного излучения, выбранный в качестве прототипа 2, состоящий из двух софокусных линз и нелинейно-оптического элемента, расположенного в общей фокальной плоскости линз. Нелинейнооптический элемент представляет собой массив стекловолокна (капилляров), расположенный между двумя подложками и заполненный раствором жидкого кристалла (в дальнейщем ЖК) с красителем (или фуллереном). При низких интенсивностях воздействия примесный ЖК прозрачен на длине волны падающего излучения, а при высоких интенсивностях проявляет эффект оптического ограничения в результате двухфотонного поглощения в примеси и светоиндуцированных изменений показателя преломления ЖК. Последний процесс приводит к дефокусировке пучка внутри капилляра, результатом чего является эффект ограничения пропускания. Эффект дефокусировки усиливается за счет увеличения длины взаимодействия в капилляре. Недостатком такого ограничителя является относительно больщие габариты устройства, что вызвано разнесением в пространстве нелинейной среды и фокусирующей системы.
Целью данного изобретения является упрощение и миниатюризация конструкции ограничителя.
JVULllx jTiU 1 о j/lU
нелинейная среда одновременно является компонентом фокусирующей системы. В этом случае принцип работы фокусирующей системы основан на эффекте ориентации директора нематического ЖК (в дальнейшем НЖК) в неоднородном электрическом поле 3, 4. Устройство единичной ЖК микролинзы (в дальнейшем ЖК МЛ) представлено рис.1. ЖК помещается в ячейку, на одном или обоих электродах которой выполняется круглое отверстие. В первом случае получается несимметричная, а во втором - симметричная ЖК МЛ. Неоднородное поле возникает в области отверстий при подаче напряжения. Переориентация молекул приводит к появлению неоднородного распределения показателя преломления для распространяющейся через НЖК необыкновенной волны, и у ЖК МЛ формируется близкий к квадратичному фазовый профиль, который может меняться при изменении напряжения. Согласно 9 несимметричная ЖК МЛ, в которой используется НЖК с положительной анизотропией диэлектрической проницаемости (As), обладает фокусирующими свойствами при низких управляющих напряжениях. Оценим фокусное расстояние ЖК МЛ/ Согласно приближению Френеля
J X
/ , где Г  -(АФ(О) - Аф(/,/2)) - разность оптических путей, 2Г271
(Аф(о)-Аф(1/2)).  271()//Х, - наибольшая разность фаз, Пе и и о показатели преломления необыкновенной и обыкновенной световых волн соответственно. Тогда
(L/2Y
(Аф(0)-Аф(1/2))
Для видимого света А« Ие-Ио достигает у НЖК величины 0.3, а толщина слоя ЖК не превышает 100 мкм, т.е. .4d. Поскольку ЖК сохраняет свои оптические характеристики в очень широкой спектральной области, ЖК МЛ могут быть использованы и при создании оптических ограничителей в ИК диапазоне. Однако в этом случае важным становится соблюдение условия фокусировки .
Введем коэффициент увеличения плотности потока энергии или коэффициент сжатия k:
k(f-2K(flL)J
Для характерных значений параметров ЖК МЛ: Z,300 мкм;  мкм и длины волны падающего излучения Х,0.53 мкм необходимые фокусные расстояния  мм получаются при ..02. При этом расчетный коэффициент k достигает величин порядка , что свидетельствует об эффективности использования ЖК МЛ в задаче оптического ограничения. Совокупность жидкокристаллических микролинз расположенных на общей поверхности образует растр. Равенство граничных условий обуславливает работу растра как единого оптического устройства.
Данное техническое решение является новым, а совокупность отличительных признаков не следует из известных технических решений. Существенность отличительных признаков заключается в том, фокусирующая система выполнена в виде растров жидкокристаллических электроуправляемых микролинз, составляющих с нелинейным элементом единую конструкцию, причем нелинейная среда одновременно является компонентом фокусирующей системы.
Конкретные примеры реализации изобретения.
На рис.2а показана конструкция ограничителя из.11учения. Ограничитель состоит из микроканальной пластины 1 и дв5ос сопряженных с ней ЖК ячеек. Микроканальная пластина (в дальнейшем МКП) толщиной 3 мм склеена (спечена) из тонкостенных стеклянных капилляров с внутренним диаметром 300 мкм. После полировки и нанесения токопроводящего покрытия 2 поверхности пластины приобретает свойства дырчатых электродов. Каждая микролинза образуется одной из поверхностей МКП и наружной стеклянной подложкой 3. Зазор между ними создается фторопластовыми прокладками 4 толщиной 60 мкм. На внутренние поверхности подложек наносятся прозрачные электроды 5 из ITO (8пО2+1п2Оз). Для создания планарной ориентации жидкого кристалла на все рабочие поверхности наносится ориентант. В качестве нелинейного элемента, который заполняет свободный объем конструкции 6, использовался НЖК с характеристиками , .18, . НЖК содержал нелинейный поглотитель (краситель). Величина управляющего напряжения менялась в диапазоне 0-10 В. Пропускание МКП при низких уровнях освещенности зависит от технологии изготовления. В зависимости от требований к конкретному
устройству фокусирующая часть ограничителя может быть выполнена как с одним растром микролинз (рис.2б), так и в виде телескопической системы, содержащей два софокусных растра микролинз (рис.2а).
Ограничитель работает следующим образом. Микролинзы фокусируют падающее излучение внутрь каналов (капилляров), увеличивая плотность энергии в канале, что приводит к выравниванию потоков излучения, прошедших через разные каналы. Каждый канал работает независимо. Мощность на выходе каждого канала скорректированна эффектом ограничения. Таким образом, ограничитель выполняет следующие функции:
1.Ослабляет энергию падающего излучения;
2.Преобразует изображение в дискретное;
3.Корректирует яркость для каждого дискретного канала;
4.Создает дискретное изображение на задней поверхности.
На рис.За показана зависимость энергии излучения на выходе ограничителя от энергии излучения на его входе (сплошная линия соответствует исходному пропусканию), для конструкции, выполненной по типу, изображенному на рис. 2а. В качестве нелинейной поглощающей примеси использовался перилен (). Длина волны воздействующего излучения 532 нм, длительность светового импульса 10 не. Эффективный порог ограничения (определяемый как уровень светового воздействия, приводящий к уменьшению пропускания системы в два раза) составляет 1,5 мДж/см. На рис.36 для этой же системы показана зависимость энергии излучения на выходе ограничителя от энергии излучения на его входе при разных значениях управляющего напряжения на электродах микролинз.
Из приведенных примеров следует, что заявленная конструкция функционально выполняет задачу оптического ограничения. Замена выносной фокусирующей системы на растры ЖК МЛ, не снижая эффективность ограничения, резко уменьшает габаритные размеры ограничителя (для сравнения на рис. 4 приведен пример эффекта ограничения при двухфотонном поглощении для нелинейной среды НЖК-перилен ( М) с вынесенной фокусирующей системой). Возможность электрического управления фокусными расстояниями микролинз позволяет оптимизировать характеристики системы ограничения.
фотоприемных устройств и зрения от ослепления излучением высокой интенсивности и разрушения излучением.
ЛИТЕРАТУРА
.JustusB.L., KcffaftZ.H., and Huston A.L.//OpticsLQiieTS. 1993. V. 18. P. 1603.
2.KhooI.C. U. S. Patent # 5,589,101; 1996.
3.Masuda S., Fujioka S., HonmaM. et al. II Jpn. Joum. Appl. Phys. 1996. V. 35. P. 4668.
4.GvozdarevA.,NevskayaG. //MCLC. 1999. V. 329. P. 81.
5.БорнМ., Вольф Э. Основы оптики. М: Наука, 1970. 856 с.