нелинейно-оптический элемент для ограничения потоков электромагнитного излучения

Формула изобретения

1. Нелинейно-оптический элемент для ограничения потоков электромагнитного излучения, включающий прозрачную матрицу и высокодисперсную углеродную среду, отличающийся тем, что в качестве высокодисперсной углеродной среды элемент содержит полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм, средним размером частиц 60-200 нм, насыпной плотностью 0,6-0,8 г/см³, пикнометрической плотностью (2,20,1) г/см³, показателем термобароустойчивости к графитизации при 3000С не менее 50 кбар, рентгенографическим показателем графитизации 0,01-0,02 и удельным электрическим сопротивлением при давлении 120 МПа не более 2,510^-4 Омм.

2. Нелинейно-оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве прозрачной матрицы он содержит дистиллированную воду.

3. Нелинейно-оптический элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве прозрачной матрицы он содержит органические растворители.

4. Нелинейно-оптический элемент по пп.2 и 3, отличающийся тем, что он дополнительно содержит поверхностно-активное вещество, взятое в количестве 0,001-0,02% от массы прозрачной матрицы.

Описание изобретения к патенту

Заявляемое изобретение относится к оптике, а именно к ограничителям интенсивности электромагнитного излучения, в частности к жидкостным оптическим фильтрам. Оно может быть использовано для защиты глаз, оптических систем и приемников излучения от мощного оптического, в том числе лазерного, излучения.

Известен нелинейно-оптический элемент, вызывающий существенное ослабление лазерного излучения, представляющий собой суспензию углеродных частиц в воде и других жидкостях [D.B.James, K.J.McEvan, Nonlinear Optics, 1999, v. 21, р.377-389].

Суспензия угольных частиц размером около 100 нм является оптическим ограничителем для лазерных импульсов от 7 нс до 150 мс [D. Vincent, Nonlinear Optics, 1999, v. 21, р. 413-422]. Однако там же показано, что углеродные частицы подвержены деструкции при поглощении интенсивного излучения, вследствие чего указанный оптический ограничитель не может быть использован в импульсно-периодическом режиме или при повторном многократном облучении.

Также известен нелинейно-оптический элемент, представляющий собой дисперсию нанотрубок - многослойных фулероидных частиц, свернутых в полый цилиндр [X. Sun, R.Q. Ju et al. Appl. Phys. Lett., 1998, v.73, p 3632-3634; P.Chen, X. Wu, X. Sun et al. Phys. Rev. Lett., 1999, v.82, p. 2548-2551; X. Sun et al. Appl. Opt. 2000, v. 39, p. 1998-2001]. Дисперсии нанотрубок являются оптическим ограничителем в широком диапазоне длин волн от видимой до инфракрасной области.

Однако нанотрубки в соответствии с технологией их получения имеют большой разброс по размерам - от 0,1 мкм до нескольких мкм [X. Sun et al. Appl. Opt. 2000, v. 39, р. 1998-2001]. Дисперсии нанотрубок сильно неоднородны, что снижает начальное светопропускание элемента и ухудшает его оптические и ограничительные свойства.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому элементу является нелинейно-оптический элемент, содержащий прозрачную матрицу и высокодисперсную углеродную среду - фуллерены [В.П.Белоусов, И.М.Белоусова и др. Оптика и спектроскопия, 1999, т. 87, №5, с.845-8521. В качестве прозрачной матрицы могут выступать растворители, полимеры, золь-гели, стекла и т.п. Элемент содержит фуллерены С₆₀, С₇₀ и C_76-84. При этом фуллерены С₆₀ и С₇₀ эффективно ограничивают излучение в диапазоне длин волн 0,3-0,7 мкм (300-700 нм); высшие фуллерены C₇₆, C₇₈, C₈₄ позволяют получить ограничение для длин волн выше 0,7 мкм, вплоть до 1,06 мкм.

Фуллереносодержащие элементы характеризуются высоким пропусканием низкоинтенсивного излучения, обеспечивающим высококачественное видение или изображение через оптический элемент, позволяя при этом ограничить лазерное излучение до уровня, безопасного для глаз.

Однако фуллереносодержащие элементы имеют некоторые недостатки.

При концентрации фуллеренов, обеспечивающих достаточное ограничение интенсивности излучения, фуллереносодержащие элементы окрашены, что существенно ограничивает возможность создания многоступенчатых схем с высокой степенью ограничения. Ограничение на фуллеренах С_76-84 (длина волны 1,06 мкм) существенно менее эффективно, чем для фуллеренов С₆₀ и С₇₀ в области длин волн 0,4-0,7 мкм, что делает создание эффективных элементов в диапазоне длин волн 1,06 мкм проблематичным.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении диапазона длин волн, в котором происходит ограничение лазерного излучения, и в отсутствии окрашивания элемента высокодисперсной углеродной средой.

Указанный технический результат достигается тем, что в нелинейно-оптическом элементе для ограничения потоков электромагнитного излучения, включающем прозрачную матрицу и высокодисперсную углеродную среду, в качестве высокодисперсной углеродной среды используют полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа с межслоевым расстоянием 0,34-0,36 нм, средним размером частиц 60-200 нм, насыпной плотностью 0,6-0,8 г/см³, пикнометрической плотностью 2,20,1 г/см, показателем термобароустойчивости к графитизации при 3000С не менее 50 кбар, рентгенографическим показателем графитизации 0,01-0,02 и удельным электрическим сопротивлением при давлении 120 МПа не более 2,510^-4 Омм.

Указанные полиэдральные многослойные наноструктуры фуллероидного типа были выделены из продуктов катодного осадка, полученного при термическом распылении графитового анода в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере инертного газа, и идентифицированы так, как это описано в нашей заявке №2000124887 от 05.10.2000.

В качестве прозрачной матрицы может быть использована дистиллированная вода, четыреххлористый углерод, метиловый, этиловый или пропиловый спирты, ацетон, водно-ацетонные смеси, декагидронафталин (декалин) и другие прозрачные среды.

Вследствие малых размеров полиэдральных многослойных наноструктур (60-200 нм) их суспензии являются однородными и имеют высокую прозрачность.

Суспензии устойчивы; так в течение 6 месяцев не наблюдалось изменения пропускания среды.

В суспензию можно добавить поверхностно-активное вещество (ПАВ), например декаэтиленгликольоктадециловый эфир или цетилпиридинийбромид. ПАВ добавляют в количестве 0,001-0,02 г на 100 г вещества матрицы.

Суспензии не окрашены во всем диапазоне используемых концентраций. Все суспензии имеют высокую однородность.

Было исследовано оптическое ограничение для суспензий со светопропусканием 56-90% (концентрация полиэдральных многослойных наноструктур 0,010-0,025 мас.%) в диапазоне лазерного излучения с длинами волн 0,3; 0,532 и 1,06 мкм в наносекундном диапазоне импульсов. Результаты представлены на фиг.1. и фиг.2.

На фиг.1 (длина волны 0,532 мкм) кривые 1-4 соответствуют начальному пропусканию низкоинтенсивного излучения элементов, содержащих соответственно 0,010, 0,012, 0,018 и 0,025 мас.% полиэдральных многослойных наноструктур. Кривые 1’-4’ показывают ограничение лазерного излучения, при этом суспензии с пропусканием 80-90% (кривые 1, 2 и 1’, 2’) ограничивают лазерное излучение в 10 раз. Суспензии с большей концентрацией полиэдральных многослойных наноструктур показывают ограничение до 20 раз (кривые 4 и 4’).

Такая же зависимость наблюдается для лазерного излучения с длиной волны 1,064 мкм (фиг.2), где кривые получены для содержания полиэдральных наноструктур 0,010, 0,012, 0,018 мас.%.

Суспензии устойчивы к действию лазерного импульса: образцы без изменения оптических свойств подвергались действию более 1000 импульсов излучения.

Заявляемый элемент может служить жидкостным фильтром, например, в бинокле или в другом оптическом приборе для защиты органов зрения и приемников излучения.