нелинейная жидкость для ограничения интенсивности излучения в ультрафиолетовой области спектра

Формула изобретения

Нелинейная жидкость для ограничения интенсивности мощного лазерного излучения ультрафиолетовой области спектра, содержащая комплекс порфирина с металлом в хлороформе, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введена соляная кислота, а в качестве комплекса порфирина с металлом выбран фториндиевый комплекс октафенилтетраазапорфирина, при этом используется следующее соотношение компонентов, г/л:

Фториндиевый комплекс
октафенилтетраазапорфирина	0.053-0.210
Соляная кислота (концентрированная)	0.720-6.000
Хлороформ	Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нелинейной оптике и может быть использовано в качестве компонента в устройствах защиты чувствительных фотоприемников от прямого попадания на них мощного лазерного излучения ультрафиолетовой области спектра и в защитных очках, необходимых для безопасной работы персонала, обслуживающего лазеры ультрафиолетового диапазона.

Известно устройство для защиты глаз от ослепляющего оптического излучения в виде матричного жидкокристаллического экрана, пропускающего к глазам излучение только ниже определенного уровня [1]. Контроль этого уровня осуществляется полученными с датчиков излучения усиленными по напряжению электрическими сигналами, управляемыми пропусканием оптического излучения. Недостатком устройства является его сложность и относительно высокая инерционность системы.

Известны нелинейные жидкости, содержащие растворы фуллеренов и фталоцианинов в толуоле и хлороформе [2, 3], которые относительно хорошо пропускают слабое излучение видимого диапазона спектра с длиной волны 532 нм и плотностью мощности, не превышающей 1 кВт/см² (линейный коэффициент пропускания Т₀ составляет 50-80%). При увеличении плотности мощности до 10-500 МВт/см² пропускание уменьшается: коэффициент ослабления КО=T₀/T_w10, где Т₀ - линейный коэффициент пропускания, T_w - коэффициент пропускания излучения при высокой плотности мощности W на выбранной длине волны. Недостатком таких жидкостей является то, что они не ограничивают мощное излучение в ультрафиолетовой области спектра.

Наиболее близкой к заявляемому объекту является нелинейная жидкость, содержащая раствор комплекса тетрафенилпорфирина с металлом в хлороформе [4]. Раствор хлориндиевого комплекса тетрафенилпорфирина в хлороформе (ClInТФП) эффективно ограничивает видимое излучение второй гармоники Nd:YAG лазера (КО₅₃₂ =19) и значительно хуже ограничивает УФ излучение (КО₃₀₈ =1.6). Недостатком жидкости-прототипа является низкий коэффициент ослабления УФ излучения на длине волны =308 нм.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - увеличение коэффициента ослабления мощного ультрафиолетового излучения при линейном коэффициенте пропускания не менее 50%.

Это достигается тем, что в нелинейную жидкость для ограничения излучения в ультрафиолетовой области спектра, содержащую фториндиевый комплекс октафенилтетраазапорфирина (FInOPTAP) в хлороформе дополнительно вводят соляную кислоту при следующем соотношении компонентов: FInOPTAP - 0.053-0.210 г/л, соляная кислота (концентрированная) - 0.720-6.000 г/л, хлороформ - остальное.

Пример получения заявленной нелинейной жидкости:

К 10 мл хлороформа добавляют 0.01 мл концентрированной соляной кислоты. 0.00105 г FInOPTAP растворяют в 10 мл подкисленного хлороформа. Раствор тщательно перемешивают. На этом получение нелинейной жидкости завершается.

Сравнительные испытания жидкости-прототипа и предлагаемой жидкости проводили на длине волны =308 нм следующим образом. В качестве источника лазерного излучения использовали эксиплексный XeCl лазер (=308 нм, Е_имп до 40 мДж, _имп=10 нс). Фокусировка излучения позволяла получать плотности мощности до 300 МВт/см². Т₀ измеряли в кварцевой кювете толщиной 1 мм с помощью спектрофотометра «Specord M40». Для измерения Т_w эту же кювету с нелинейной жидкостью помещали вблизи фокусов скрещенных цилиндрических линз, фокусирующих излучение лазера. Измерение падающей и прошедшей через кювету с нелинейной жидкостью энергии излучения осуществляли в одном импульсе с помощью пирометрических измерителей энергии "Gentec-E" (измерительная головка ED-100 A. UV) с точностью до 10 мкДж, при этом погрешность измерения не превышала 1%.

Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице, где формулой CHCl₃ обозначен хлороформ.

Таблица
Нелинейная жидкость	T0(308) , %	W308, МВт/см 2	КО 308
Прототип - ClInТФП в CHCl3	70	170	1.2
	50	170	1.6
Предлагаемая жидкость - FInOPTAP в CHCl3 + 1.2 г/л соляной кислоты (концентрированной)	51	100	5.1
		150	7.5
		170	8
		200	12
		250 300	20 365

Из таблицы следует, что КО лазерного излучения с длиной волны =308 нм у предлагаемой жидкости (FInOPTAP в CHCl₃+1.2 г/л соляной кислоты) выше, чем у жидкости-прототипа уже при W=170 МВт/см²: КО₃₀₈ соответственно равны 8 и 1.6. Коэффициент ограничения существенно возрастает при повышении плотности мощности до 200 МВт/см² (КО₃₀₈ =12) и, особенно, до 300 МВт/см² (KO₃₀₈ =365).

Высокая ограничительная способность предлагаемой жидкости обусловлена двумя причинами. Во-первых, само соединение FInOPTAP достаточно хорошо ограничивает мощное ультрафиолетовое излучение за счет обратного насыщенного поглощения (RSA), обусловленного оригинальной структурой молекулы и растворителем, стимулирующим выход интерконверсии, ответственной за уменьшение пропускания. Во-вторых, добавление соляной кислоты увеличивает ограничение мощного лазерного излучения за счет «включения» наряду с механизмом обратного насыщенного поглощения, имеющего низкий порог и действующего при W от 10 до 200 МВт/см², дополнительного механизма (предположительно - нелинейного индуцированного светорассеяния). Этот дополнительный механизм действует при более высокой плотности мощности лазерного излучения (W200-300 МВт/см²) за счет увеличения полярности растворителя при добавлении соляной кислоты. Спектральные изменения, вызванные добавлением соляной кислоты, указывают на образование в растворе катионной формы FInOPTAP. С увеличением концентрации добавки от 0.72 до 1.20 г/л концентрированной соляной кислоты эффект возрастает, однако при увеличении концентрации кислоты выше 6 г/л, близкой к пределу растворимости, раствор мутнеет, существенно снижая линейное пропускание Т₀. Существенным преимуществом предлагаемой жидкости является простота приготовления и использования.

Источники информации

1. Патент РФ №2181213, кл. G 02 С 7/10, А 61 F 9/00, В 60 J 3/06. Опубликовано 10.04.2002. Бюлл. №10.

2. Белоусов В.П., Белоусова И.М., Гавронская Е.А., Григорьев В.А., Данилов О.Б., Калинцев А.Г., Краснопольский В.Е., Смирнов В.А., Соснов Е.Н. О механизме ограничения лазерного излучения фуллеренсодержащими средами // Оптика и спектроскопия, 1999. Т.87. №5. С.845-852.

3. Flaherty S.M., Hold S.V., Cook M.J., Torres Т., Chen Yu, Hanack M., Blau W.J. Molecular engineering of peripherally and axially modified phtalocyanines for optical limiting and nonlinear optics // Adv. Mater. 2003. V.15. №1. Р.19-32.

4. Кузнецова Р.Т., Копылова Т.Н., Майер Г.В., Самсонова Л.Г., Светличный В.А., Васильев А.В., Филинов Д.Н., Тельминов Е.Н., Каботаева Н.С., Сваровская Н.В., Подгаецкий В.М., Резниченко А.В. Ограничение мощного оптического излучения органическими молекулами. II. Порфириновые и фталоцианиновые соединения // Квантовая электроника, 2004. Т.34. №.2. С.139-146 - прототип.