Ограничители мощных световых потоков

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.И. ГЕРЦЕНА»

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

Ограничители  мощных световых

потоков

 

 

 

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук,

доцент кафедры  физической электроники

 

.

Работу выполнила:

студентка 3 курса

1 группы факультета  физики

 

 

Санкт-Петербург

2011

 

ВВЕДЕНИЕ

Интенсивное развитие импульсной лазерной техники, лазерных технологий, возрастание интенсивности излучения лазерных дальномеров, целеуказателей и подобных им приборов, работающих в широкой области спектра в последние десятилетия и широкое ее внедрение в различные сферы человеческой деятельности привело к необходимости решения задачи, динамической защиты органов зрения и сенсоров оптического излучения. Практика применения лазеров, несмотря на ратификацию ведущими странами Международного конвенционного протокола от 05.10.99 "О запрещении лазерного оружия ослепляющего действия", может иметь нежелательным следствием серьезные заболевания персонала и разрушение чувствительных элементов оптических сенсоров, поэтому в области защиты от вредного излучения было сделано много открытий и разработок.

Для защиты от поражающего действия лазеров, на сегодняшний день, существуют различные средства динамического  ограничения (лимитирование) мощных световых потоков, к примеру, полезными могут оказаться и модифицированные схемы традиционных лазерных затворов. На практике более удобны пассивные лимитеры, в состав которых входят органические (металлоорганические) и неорганические материалы, затемняющиеся под действием мощного оптического излучения или резко усиливающие рассеяние (а также фокусирование либо расфокусирование) проходящего света. В качестве материалов лимитеров обычно используются жидкостные растворы, полимерные блоки и пленки органических красителей и фуллеренов, а также суспензии углеродных и металлических микро- и наночастиц, т.е. материалы с сильным нелинейным поглощением.

Большой интерес  представляют коллоидные системы с  сильным нелинейным рассеянием излучения, вызванным, например, фотоиндуцированными  термическими эффектами. В последние  годы коллоидные растворы наночастиц различного состава и размеров рассматриваются как отдельный перспективный класс материалов для ограничения интенсивности лазерного излучения в широком спектральном диапазоне.

Особый класс  ультрадисперсных коллоидов, обладающих лимитирующими свойствами, представляют собой суспензии, содержащие различные виды углеродных частиц. Примером такой среды служит суспензия сажи различной степени дисперсности. Нелинейными оптическими свойствами в разной степени обладают и коллоиды структурированных углеродсодержащих соединений, таких как фуллерены и нанотрубки, еще более сложные объекты - фуллерены и нано-трубки с пришитыми функциональными группами органических красителей и полимеров. Преимуществом материала лимитера, представляющего собой жидкостный раствор красителя (фуллерена), является возможность сравнительно быстрого "залечивания" зоны лазерного воздействия, к обычным недостаткам – окрашенность рабочего вещества в его исходном состоянии, мешающая правильному зрительному восприятию оператора оптического прибора или сужающая область спектральной чувствительности оптического сенсора. В то же время практически неселективные суспензии углеродных частиц обладают свойством агрегации (особенно под действием излучения), значительно изменяющей их оптические свойства. Твердотельные материалы лимитеров, в которых не работает механизм "залечивания" зоны лазерного воздействия, менее долговечны, чем жидкостные.

 

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ ОГРАНИЧИТЕЛЕЙ МОЩНЫХ СВЕТОВЫХ ПОТОКОВ

Авторами работы [1] показано, что применение двухкаскадной схемы лимитера (может привести схему такого лимитера) лазерного излучения позволяет достигать высоких значений коэффициента ослабления лазерного излучения, который может быть определен по формуле:

 

К= То/Т = (2 - 3) х 104 (непонятная формула)

где Т_о – линейное (начальное) пропускание лимитера, а Т – пропускание при заданной интенсивности падающего излучения.

 

Рис. 1 Зависимость интенсивности рассеянного излучения в тетрагидроборатоме натрия в пропиленкарбонате (ПГК) от плотности мощности возбуждающего излучения с длиной волны 532 нм

(1) под углом ~15% к оси лазерного пучка;

(2) линейная зависимость интенсивности рассеянного сигнала с учетом ослабления излучения в среде.

 

В первом каскаде такого лимитера ослабление излучения происходило  в плазме оптического пробоя в  кювете с сероуглеродом CS₂, а во втором каскаде - в кювете, заполненной раствором красителя фталоцианина свинца РсРb в СНС1з либо суспензией углеродных микрочастиц. В более широкой области спектра 485 - 680 нм коэффициент К (с суспензией микрочастиц во втором каскаде) не превышал  1000.

К указанным выше недостаткам  схемы рассматриваемого лимитера добавляется  однократность его действия, что  вряд ли приемлемо для реального  применения. В целом, несмотря на интерес  научного мира к проблеме ограничения  интенсивности лазерного излучения, этот недостаток пока никак не может быть устранен практически.

По этой причине в настоящее  время ведутся интенсивные поиски новых рабочих материалов ограничителей  оптического излучения, имеющих  необходимые нелинейные свойства, а  также эффективных схем лимитеров.

Нелинейное  обратное насыщенное поглощение

Среди физических механизмов, приводящих к нелинейному  ослаблению интенсивности излучения  в материале лимитера, одним из наиболее низко-пороговых и эффективных  является нелинейное обратное насыщенное поглощение (reverse saturable absorption - RSA) - механизм, основанный на наведенном поглощении из возбужденных синглетных или триплетных состояний среды. Необходимое условие существования RSA-механизма в конкретном веществе - превышение сечения наведенного поглощения  над сечением обычного (линейного) поглощения из основного состояния в спектральной области генерации действующего лазера. Из органических и металлоорганических соединений, в которых ограничение интенсивности лазерного излучения происходит по RSA-механизму, стоит отметить фталоцианины, фуллерены, замещенные дициаминометиленпирана (ДЦМ) и полиметиновые (цианиновые) красители (ПК) [2,3]. Первые два класса соединений в основном ограничивают интенсивность лазерного излучения за счет поглощения в канале триплетных состояний, а остальные - за счет синглет-синглетного поглощения. Синглет-синглетный механизм, как правило, обеспечивает большее быстродействие среды. По этой причине ПК находят широкое применение в лазерах с УКИ при синхронизации мод.

Характерным свойствам ПК с длинной полиметиновой цепью (ПЦ) относится наличие ИК полос поглощения. Увеличение длины ПЦ и эффективной длины электронной системы в хромофорных концевых группах молекул приводит к длинноволновому смещению этих полос, что позволяет согласовывать область поглощения ПК с длиной волны возбуждающего лазера.

Отсутствие заметного  поглощения ряда полиметиновых красителей в видимой области спектра  может иметь следствием их существенное преимущество перед многими другими  материалами лимитеров лазерного излучения. Значительное снижение линейного поглощения лимитеров на основе ПК, вплоть до достижения их практической бесцветности в исходном состоянии, способно обеспечить хорошую совместимость лимитеров с другими элементами распространенных оптических приборов.

Физические  основы ограничения в углеродсодержащих суспензиях

Зависимости пропускания  Т от плотности мощности возбуждения W при воздействии импульсами излучения  второй гармоники Nd-YAG лазера (532 нм) длительностью 15 нc для дисперсий НТ1-НТ4 и сажи в ДМФ для линейного пропускания приведены на (рис.1). [1] Коэффициенты ослабления всех 4 исследуемых коллоидов УНТ и образца сажи близки – составляет 5 ÷ 6, . Коэффициент ослабления в диапазоне линейного пропускания 40 ÷ 80% практически не зависит от начального пропускания, что характерно для лимитирования именно рассеивающих сред.

Рис.1. Зависимость T(W) для сажи и НТ1-НТ4 в ДМФ при линейном пропускании 70%.

 

Коэффициент ослабления на длине волны 1064 нм также не зависит  от начального пропускания в исследуемом интервале и близок к этому коэффициенту на длине волны 532 нм составляет 4,5 ÷ 5.

Сокращение  длительности импульса возбуждения  приводит к значительному уменьшению лимитирующего эффекта углеродсодержащих суспензий. Так, при длительности импульса и нелинейном пропускании на длине волны 532 нм дисперсии сажи составляет всего 2. Это связано с тем, что лимитирующий эффект вызван нелинейным рассеянием на тепловых неоднородностях, возникающих при поглощении излучения накачки ультрадисперсными частицами – достаточно медленным механизмом, который эффективно работает для импульсов длительностью от нескольких десятков наносекунд до микросекунд [6,7].

 

 

 

Коллоиды наночастиц металлов.

Рассмотрим  лимитирующие свойства нано частиц платины. На длине волны возбуждения 532 нм дисперсии мелких частиц (до 10 нм) при  линейном пропускании 40 ÷ 80% имеют коэффициент  ослабления около 3, а при увеличении он достигает 8. На длине волны 1064 нм эти частицы так же хорошо ограничивают интенсивность лазерного излучения. Так для образцов с начальным пропусканием при W = 100 МВт/см2 пропускание составило всего 55%. [6,7] При увеличении размеров частиц до 50 нм лимитирующий эффект значительно слабее. Так, на длине волны возбуждения 532 нм при плотности мощности возбуждения 300 МВт/см2 и начальном пропускании дисперсии 50% , излучение с длиной волны 1064 нм крупные частицы платины не ограничивают.

Несмотря на большие размеры (до 600 нм), хорошие лимитирующие свойства на длине волны 532 нм проявляют дисперсии. При увеличении размера частиц до микронных - дисперсии с размерами частиц 600-2600 нм лимитирующие свойства ухудшаются.

На примере  никеля мы проследим, как изменяется нелинейное пропускание коллоидов при формировании в них нано частиц. На рис.2 приведены зависимости в процессе синтеза нано частиц никеля в водных растворах. Исходные компоненты не обладают лимитирующими свойствами. После их смешивания в растворе начинается реакция восстановления Ni, в результате которой вначале образуются кластеры никеля, которые за 24 часа вырастают до нано частиц размером 10 — 15 нм. Рост нано частиц в растворе сопровождается появлением нелинейного поглощения. Стабилизированные и редиспергированные нано частицы никеля  показывают лимитирующий эффект, аналогичный частицам такого же размера в воде.

Рис.2. Зависимость пропускания дисперсий серебра в ПГК от плотности мощности возбуждения на длине волны 532 нм в процессе формирования наночастиц Ni.

 

На рис.3 приведены зависимости пропускания дисперсий серебра в ПГК от плотности мощности возбуждения на длине волны 532 нм. Кривая 1 соответствует нелинейному пропусканию мелких, преимущественно сферических частиц размером до 10 нм, для более крупных и анизотропных частиц – нано призм размером 30~50 нм (кривая 2) наблюдается усиление лимитирующего эффекта [7]. Кривая 3 соответствует полидисперсной суспензии частиц различной формы, от сферических до нано призм и нано дисков с размерами до 100 нм. Такой коллоид показал наибольший лимитирующий эффект, а при W = 350 МВт/см 2 - 14.

В настоящее  время нет единой точки зрения на механизмы нелинейного уменьшения пропускания наночастиц металлов, несмотря на большое количество работ, посвященных  исследованию нелинейных оптических свойств таких материалов

Первичным механизмом, на наш взгляд, является нелинейное поглощение, которое зависит от материала  и размеров наночастиц. Природа нелинейного  поглощения различна.

 

 

 

Рис.2. Зависимость пропускания дисперсий серебра в ПГК от плотности мощности возбуждения на длине волны 532 нм в процессе формирования наночастиц Ni.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3. Зависимость T(W) для дисперсий Ag

 

Например, для  наночастиц, не имеющих линейного  поглощения на длине волны накачки, это могут быть многофотонные  переходы. Для частиц, поглощающих на длине волны возбуждения, возможно образование нестационарных возбужденных состояний с поглощением, значительно превышающим линейное. Такая ситуация, по данным реализуется в коллоидах серебра при возбуждении излучением с длиной волны 532 нм. Вторичным механизмом является нелинейное рассеяние на образующиеся в среде оптических неоднородностях. Пространственный масштаб таких неоднородностей коррелирует с размерами нано частиц, если они не образуют в растворах сложные структуры. Рассеяние усиливает эффект нелинейного поглощения.

К основным преимуществам  коллоидов наночастиц можно отнести:

    * отсутствие  окраски (или слабую окраску)  среды;

    * широкий  спектральный диапазон работы (весь  видимый и ближний ИК диапазон);

    * отсутствие насыщения поглощения (просветления) при больших интенсивностях возбуждения.

Лимиторы  на фуллерен содержащих растворах

Эффект нелинейной прозрачности фуллерен содержащих растворов  и соединений открывает возможности  их использования в качестве основы оптических затворов  — ограничителей интенсивности лазерного излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазонов. Пороговая интенсивность, характеризующая оптический затвор на основе фуллеренов, в несколько раз ниже соответствующего значения для материалов, традиционно используемых в подобных целях (индантрон, фталоцианин хлоралюминия и др.). Для C₆₀ область оптического ограничения лежит в диапазоне длин волн 400—700 нм. Области оптического ограничения более высоких фуллеренов (C₇₀, C₇₈, C₈₄) лежат в видимой и ближней инфракрасной областях. На рис. 4 приведена зависимость пропускания света фуллерен содержащей полимерной плёнкой. Важным свойством фуллерен содержащих оптических ограничителей является их быстродействие — от нескольких фемтосекунд.