устройство для ограничения интенсивности лазерного излучения

Формула изобретения

1. Устройство для ограничения интенсивности лазерного излучения, состоящее из корпуса, ориентированного вдоль направления распространения излучения и содержащего две собирающие линзы, в фокальной плоскости которых расположена герметичная ячейка, заполненная веществом, при этом первая из линз размещена на входном торце корпуса, а вторая - после герметичной ячейки, отличающееся тем, что на другом торце корпуса после второй линзы установлен фильтр с нелинейным поглотителем, а в качестве вещества герметичной ячейки использован инертный газ.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве вещества герметичной ячейки использован газ гелий при давлении 5 атм.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве фильтра с нелинейным поглотителем использована наноструктурированная углеродная пленка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптической техники, а именно к ограничителям мощности приемников лазерного излучения, и может найти применение для защиты глаз, оптических систем и приемников лазерного излучения от разрушающего действия входного излучения высокой мощности.

Из предшествующего уровня техники известно устройство для ограничения светового потока [патент RU № 2403599, «Устройство для ограничения светового потока», МПК G02B 26/02, публик. 27.07.2010 г., авторы: Михеев Г.М., Могилева Т.Н., Кузнецов В.Л., Булатов Д.Л.], которое состоит из герметичной ячейки, заполненной суспензией из наноуглеродных частиц луковичной структуры, двух собирающих линз, расположенных по обе стороны герметичной ячейки и источника неоднородного магнитного поля, расположенного таким образом, чтобы обеспечить выталкивание из зоны воздействия светового потока с суспензией просветленной части суспензии, возникающей в результате указанного взаимодействия.

Недостатками известного устройства для ограничения светового потока являются малая величина мощности пропускания светового потока и ограниченный срок службы, в силу просветления суспензии, которая в дальнейшем становится прозрачной, и исчезает эффект ограничения мощности светового потока.

Известно другое устройство для ограничения интенсивности лазерного излучения [патент RU № 2350991, «Моноблочный ограничитель интенсивности лазерного излучения», МПК G02F 1/355, публик. 27.03.2009 г., авторы: Герасименко А.Ю., Маслобоев Ю.П., Подгаецкий В.М. и др.], которое в дальнейшем, как наиболее близкое по технической и физической сущности, выбрано в качестве прототипа. Устройство состоит из корпуса, ориентированного вдоль направления распространения падающего излучения, с собирающими линзами, размещенными на торцах корпуса. При этом в фокальной плоскости линз размещена герметичная ячейка, заполненная водным расслаивающимся раствором, в качестве которого использован водный раствор триэтиламина концентрации С_раб =(32±2) мас.%, при рабочей температуре раствора менее его критической температуры (t_раб<t_кр=18,163°C) или водный раствор 2-бутоксиэтанола концентрации C_раб =(30±2)мас.%, при рабочей температуре раствора менее его критической температуры (t_раб<t_кр=48,272°C).

Недостатком прототипа является:

- малая мощность ограничения входного лазерного излучения, вызванная наличием критической температуры раствора, находящегося во внутренней полости корпуса.

- ограниченный срок службы устройства за счет того, что при достаточно высокой мощности на входе ограничителя интенсивности лазерного излучения происходит разрушение лимитирующих веществ и выход из строя всей оптической системы.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства защиты оптических систем от действия лазерного излучения высокой мощности в широком динамическом диапазоне.

Техническим результатом является существенное повышение степени защиты оптических систем от действия высокоинтенсивного лазерного излучения, поступающего на вход ограничителя, и увеличение срока службы устройства.

Технический результат достигается тем, что устройство для ограничения интенсивности лазерного излучения состоит из корпуса, ориентированного вдоль направления распространения излучения и содержащего две собирающие линзы, в фокальной плоскости которых расположена герметичная ячейка, заполненная веществом, при этом первая из линз размещена на входном торце корпуса, а вторая - после герметичной ячейки. Новым является то, что на другом торце корпуса после второй линзы установлен фильтр с нелинейным поглотителем, а в качестве вещества герметичной ячейки используют инертный газ. Кроме этого, в устройстве в качестве вещества герметичной ячейки используют газ гелий при давлении 5 атм, а в качестве фильтра с нелинейным поглотителем используют наноструктурированную углеродную пленку.

Установка на другом торце корпуса после второй линзы фильтра с нелинейным поглотителем позволяет ограничить выходную мощность лазерного излучения, прошедшую через герметичную ячейку с газом и, тем самым, защитить оптическую систему от разрушающего действия лазерного излучения.

Использование в качестве вещества герметичной ячейки инертного газа, например гелия при давлении 5 атм, обеспечивает порог лазерного пробоя гелия 10⁸ Вт/см², позволяя отражать и рассеивать падающее излучение на плазме пробоя, тем самым ограничивая высокое, поступающее на вход последующего ограничителя лазерного излучения.

Использование в качестве фильтра с нелинейным поглотителем углеродной наноструктурированной пленки является наиболее оптимальным вариантом для приема лазерного излучения малой мощности, так как углеродная матрица может обеспечить сохранение физико-химических свойств метастабильных нанокристаллических материалов в течение длительного времени.

Рассмотрим вариант реализации предлагаемого устройства, схематично изображенного на чертеже, где 1 - входное лазерное излучение, 2 - первая входная собирающая линза, 3 - вторая собирающая линза, 4 - фильтр с нелинейным поглотителем, 5 - герметичная ячейка, 6 - корпус, 7 - приемник лазерного излучения.

Устройство представляет собой корпус цилиндрической формы, выполненный из нержавеющей стали, в котором по направлению излучения размещены: герметичная прозрачная ячейка прямоугольной формы, заполненная гелием при давлении 5 атм, две короткофокусные собирающие линзы, первая из которых размещена на входном торце корпуса, а вторая - после герметичной ячейки, причем герметичная ячейка расположена в фокальной плоскости двух сопряженных линз, площадь фокального пятна которых составляет 10^-2 см ². На другом торце корпуса, после второй собирающей линзы на расстоянии 1 см с помощью держателя укреплен фильтр с нелинейным поглотителем в виде наноструктурированной углеродной пленки с начальным пропусканием 45-50%. Для регистрации ограниченного излучения устройство снабжено приемником лазерного излучения, в качестве которого используют ФЭУ-28 с селективным фильтром.

Устройство работает следующим образом. Входное лазерное излучение 1 поступает на вход первой собирающей линзы 2, где оно фокусируется в герметичной ячейке 5 с гелием. Допустимая мощность входной энергии определяется лучевой прочностью входной линзы 1, стоящей перед герметичной ячейкой 5. Порог входной мощности оптического стекла, используемого при изготовлении входной линзы 1, зависит от длительности импульса падающего излучения и его длины волны и лежит в диапазоне от 10⁶ до 10⁹ Вт/см². При этом предельная мощность, требуемая для оптического пробоя и разрушения линзы, определяется произведением площади входной линзы на плотность порога мощности.

Далее, при допустимой входной энергии, излучение принимается герметичной ячейкой 5 и, при условии отсутствия лазерного пробоя газа, через вторую собирающую линзу 3 попадает на фильтр с нелинейным поглотителем 4, после чего поступает на вход приемника лазерного излучения 7. Если входная энергия лазерного излучения превышает порог пробоя газа, равный величине 10⁸ Вт/см² , то происходит ее ограничение за счет отражения и рассеяния излучения на плазме пробоя. Время развития лазерной искры, при данных параметрах пробоя, равно 10^-7 с. При этом величина энергии пробоя, прошедшая через герметичную ячейку с газом, составит 10^-1 Дж. При такой энергии пучка разрушения динамического ослабителя не произойдет, а с понижением мощности падающего на вход устройства излучения ниже порога пробоя за короткое время, порядка единиц наносекунд, восстановится высокое пропускание газа, и устройство вновь будет способно принимать излучение. После герметичной ячейки 5 излучение через вторую собирающую линзу 2 поступает на вход фильтра с нелинейным поглотителем 4, где также происходит ограничение до допустимого предела чувствительности приемника лазерного излучения 7.

На предприятии создано устройство для ограничения интенсивности лазерного излучения, которое нашло применение в работах по исследованиям в области лазерной физики. Проведены испытания, подтвердившие его соответствие техническим требованиям.

В результате экспериментальных исследований было доказано, что изобретение имеет высокое начальное пропускание, не ухудшающее оптические характеристики защищаемых систем, и по сравнению с рассмотренными аналогами из предшествующего уровня техники оно позволяет обеспечить работоспособность приемной оптики после воздействия на ее вход мощного, более 10⁸ Вт/см², при плотности энергии свыше 10 Дж/см ² излучения.