РАБОЧЕЕ ВЕЩЕСТВО ОГРАНИЧИТЕЛЯ ИНТЕНСИВНОСТИ МОЩНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ
OPTICAL RADIATION POWER INTENSITY LIMITING WORKING MEDIUM AND PREPARATION METHOD THEREOF

Изобретение относится к области оптической техники, а именно к ограничителям интенсивности (лимитерам) мощного излучения, и может быть использовано в оптических приборах и средствах защиты органов зрения от действия мощного излучения.
Механизм нелинейного оптического ограничения в суспензиях углеродных частиц заключается в рассеянии света на расширяющейся паровой оболочке дисперсионной среды. Паровая оболочка образуется в результате нагрева диспергированных частиц энергией лазерного излучения и передачи тепла дисперсионной среде. В результате взрывного испарения давление в образовавшейся паровой оболочке намного превышает внешнее (атмосферное) давление и паровая оболочка начинает расширяться.
2
Недостатками известных суспензий углеродных частиц, которые проявляются при действии мощных лазерных излучений, являются: потеря коллоидной устойчивости и диссипация частиц, приводящие к снижению характеристик фильтра (просветление фильтра), а также применение «ядовитых» дисперсионных сред. Исследования показали, что применение суспензий наноуглеродных частиц не позволяет получить фильтры, которые могут выдержать многократные воздействия лазерного излучения при плотности входной энергии больше 1 Дж/см [И.М.Белоусова, В.П.Белоусов, О.Б.Данилов и др. // Оптический журнал, 2004, Т.71, №3, с.3-133].
Известно использование в качестве рабочих веществ полидисперсного и ультрадисперсного алмазного порошка и луковичных структур (onion-like carbon structure) в виде водных суспензий [E.Koudomas, O.Kokkinaki, M.Konstantaki и др. // Chemical physics letters, 2002, (357), p.336-340]. Было показано, что алмазные порошки обладают наихудшими характеристиками по сравнению с луковичными структурами.
Известно рабочее вещество нелинейного ограничителя лазерного излучения, относящееся к углеродным наночастицам, и способ его изготовления, выбранные в качестве прототипа [RU п. №2306586, МПК G02F 1/00, опубл. 20.09.2007, бюл. №26], когда в оптически прозрачную матричную среду диспергированы углеродные наночастицы в количестве 0,1-1,0 мас.% в качестве сенсибилизирующей добавки.
К недостаткам данного рабочего вещества можно отнести:
- сложные условия придания углеродным частицам (одностенные и/или многостенные нанотрубки, нановолокна, фуллерены и т.д.) необходимых свойств, зависящие от следующих характеристик: частота и мощность электромагнитного поля, давление газовой среды, время обработки;
- узкий диапазон используемых концентраций углеродных наночастиц (0,1-1,0 мас.%);
- большая толщина поглощающего слоя (кювета 10-100 мм);
3
3
- использование в качестве прозрачной матрицы органических растворителей (тетрахлорэтан - пдк 6 мг/м, хлороформ - пдк в рабочих помещениях промышленного предприятия - 1 мг/м).
Техническим результатом изобретения является получение нелинейного фильтра многократного применения для ограничения оптического излучения с большой плотностью входной энергии.
Технический результат достигается тем, что в рабочем веществе ограничителя интенсивности мощного оптического излучения, включающем оптически прозрачную дисперсионную среду, в которую диспергированы углеродные наночастицы, новым является то, что в качестве углеродных наночастиц использованы наноалмазы детонационного синтеза, обладающие повышенной коллоидной устойчивостью, в количестве 0,1-3,0 мас.%, а в качестве дисперсионной среды использована дистиллированная вода.
Технический результат достигается также тем, что в способе приготовления рабочего вещества ограничителя интенсивности мощного оптического излучения, включающем введение в оптически прозрачную дисперсионную среду углеродных наночастиц, новым является то, что в качестве углеродных наночастиц используют наноалмазы детонационного синтеза, обладающие повышенной коллоидной устойчивостью, в количестве 0,1-3,0 мас.%, а в качестве дисперсионной среды используют дистиллированную воду.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что рабочее вещество ограничителя интенсивности мощного оптического излучения и способ его приготовления отличаются тем, что в заявляемых технических решениях используются гидрозоли наноалмазов детонационного синтеза, обладающие повышенной коллоидной устойчивостью, в количестве 0,1-3,0 мас.%, а в качестве дисперсионной среды используют дистиллированную воду. Таким образом, заявляемые технические решения соответствуют критерию «новизна».
Сравнение заявляемых решений не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемые решения от прототипа. Отсутствие информации связано с невозможностью использования общепринятых наноалмазов в качестве рабочего вещества ограничителя мощного лазерного излучения, т.к. наночастицы и их кластеры теряют коллоидную устойчивость в суспензиях при воздействии факторов, способных вызвать ее нагрев [А.Ю.Неверовская, А.П.Возняковский, В.Ю.Долматов // ФТТ, 2004, том 46, вып.4, 646-648. А.Б.Солохина, А.В.Игнатченко, Р.Р.Сатаев, А.Г.Овчаренко // Журнал прикладной химии, 1991, т.64, №8, с.1751-1753].
Таким образом, заявляемые технические решения соответствуют критерию «изобретательский уровень».
Сущность поясняется с помощью графических материалов.
S
На фиг.1-4 для концентрации наночастиц 3,0; 1,0; 0,1; 0,01 мас.% представлены экспериментальные значения коэффициента пропускания Т кюветы (кривая 1) и нормированного на максимальное значение энергии импульсного излучения ε, рассеянного под прямым углом (кривая 2), от координаты z.
S
IN
S
1
IN
2
IN
2
На фиг.5 для концентрации наночастиц 3,0 мас.% представлена зависимость энергии импульса ε, рассеянного под прямым углом, от энергии импульса падающего излучения ε (точки - эксперимент, сплошная кривая - аппроксимирующая функция ε=kε+kε ), а также (вставка) зависимость коэффициента пропускания Т кюветы с исследуемым гидрозолем от  (точки - эксперимент, сплошная линия - линейная аппроксимация).
Рабочим веществом ограничителя интенсивности мощного лазерного излучения является гидрозоль наноалмазов детонационного синтеза, обладающий повышенной коллоидной устойчивостью. Готовят рабочее вещество ограничителя интенсивности мощного лазерного излучения следующим образом. Берут навеску сухого порошка наноалмазов детонационного синтеза, проверяют его способность к образованию гидрозоля и коллоидную устойчивость, для чего к навеске порошка добавляют необходимое количество дистиллированной воды, при этом не должно быть осадка частиц (таким образом выясняют пригодность используемого наноалмаза к образованию гидрозоля). С целью получения более точных концентраций рекомендуется готовить 3,0-5,0 мас.% концентрацию наночастиц (исходный гидрозоль). После этого проверяют способность наноалмазов сохранять свойства после высушивания и возможность их использования в качестве компонента рабочего вещества фильтра. Для этого аликвоту исходного гидрозоля высушивают и вновь добавляют дистиллированную воду. Если образовался гидрозоль и отсутствует осадок наночастиц, то рабочее вещество с данными наноалмазами обладает необходимыми свойствами и его можно использовать в качестве нелинейного фильтра. Для получения фильтра с нужными коэффициентами поглощения и рассеивания исходный гидрозоль разводят дистиллированной водой до нужной концентрации наночастиц и наливают в кварцевую кювету.
Исследования оптического ограничения гидрозолей наноалмазов проводили на автоматизированной лазерной установке (λ=1064 нм), работающей в одномодовом режиме с частотой повторения 1 Hz, с длительностью импульсов τ=17 нсек [Михеев Г.М., Могилева Т.Н., Попов А.Ю., Калюжный Д.Г. // ПТЭ. 2003. №2. С.101-107]. В кварцевую кювету с длиной оптического пути 1,1 мм наливали гидрозоль наноалмазов и устанавливали на координатном столике. Фотоприемник для регистрации рассеянного излучения жестко закреплен на координатном столике, и в ходе z-сканирования регистрирует энергию импульса излучения под прямым углом. За начало отсчета принята перетяжка сфокусированного лазерного пучка, которая при фокусном расстоянии собирающей линзы 100 мм составляет 100 мкм. Входящие в кювету и проходящие через кювету лазерные импульсы также регистрировали с помощью фотоприемников.
IN
OUT
S
Синхронное измерение энергий лазерных импульсов на входе ε и на выходе ε измерительной ветви, а также энергии ε импульсов лазера, рассеянных под прямым углом (в относительных единицах), позволяло судить о вкладе нелинейного рассеяния на уменьшение коэффициента пропускания Т гидрозоля наноалмазов при увеличении плотности мощности излучения по мере приближения исследуемой кюветы к перетяжке пучка.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
Гидрозоль наноалмазов с концентрацией 3,0% (по массе), размер кластеров частиц D50=49.6 нм.
На фиг.1 представлены экспериментальные зависимости коэффициента пропускания кюветы (кривая 1) и нормированного на максимальное значение энергии импульсного излучения, рассеянного под прямым углом (кривая 2), от координаты z.
Пример 2
Гидрозоль наноалмазов с концентрацией 1,0% (по массе), размер кластеров частиц D50=49.6 нм.
На фиг.2 представлены экспериментальные зависимости коэффициента пропускания кюветы (кривая 1) и нормированного на максимальное значение энергии импульсного излучения, рассеянного под прямым углом (кривая 2), от координаты z.
Пример 3
Гидрозоль наноалмазов с концентрацией 0,1% (по массе), размер кластеров частиц D50=49.6 нм.
На фиг.3 представлены экспериментальные зависимости коэффициента пропускания кюветы (кривая 1) и нормированного на максимальное значение энергии импульсного излучения, рассеянного под прямым углом (кривая 2), от координаты z.
Пример 4
Гидрозоль наноалмазов с концентрацией 0,01% (по массе), размер кластеров частиц D50=49.6 нм.
На фиг.4 представлены экспериментальные зависимости коэффициента пропускания кюветы (кривая 1) и нормированного на максимальное значение энергии импульсного излучения, рассеянного под прямым углом (кривая 2), от координаты z.
Пример 5
На фиг.5 представлена зависимость энергии импульса, рассеянного под прямым углом, от энергии импульса падающего излучения при концентрации наночастиц 3,0 мас.%.
Таким образом, при использовании наноалмазов детонационного синтеза в качестве компонента рабочего вещества ограничителя мощного оптического излучения получены следующие преимущества:
4
2
- наночастицы алмазов и их кластеры сохраняют коллоидную стабильность в гидрозоле после воздействия более 3×10 лазерных импульсов наносекундной длительности с плотностью мощности около 1 ГВт/см, следующих с частотой 1 Hz;
- оптическая прочность лимитера с рабочим веществом - гидрозолем наноалмазов - сравнима с оптической прочностью стенок кварцевой кюветы;
При этом необходимо отметить, что гидрозоли наноалмазов в отличие от суспензий нанотрубок и луковичных структур не выпадают в осадок после многократного лазерного воздействия, а также отсутствует эффект просветления фильтра.