МОНОБЛОЧНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ ИНТЕНСИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области оптической техники, а именно к ограничителям интенсивности лазерного излучения, и может найти применение для защиты органов зрения и чувствительных приемников излучения от разрушающего действия высокоинтенсивного падающего излучения.

Развитие лазерной техники, проникшей в различные сферы человеческой деятельности, выявило вероятность вредного воздействия мощного излучения, что обусловило важность разработки средств защиты органов зрения и оптических систем от воздействия излучения лазеров. Актуальность этой проблемы вызвана заметным возрастанием интенсивности излучения лазерных приборов, работающих в широкой области спектра.

При разработке рабочих материалов ограничителей интенсивности (лимитеров) лазерного излучения (лимитирующих веществ) наиболее важны следующие их характеристики:

1. Высокое начальное (линейное) пропускание излучения Т₀(λ) и широкая полоса линейного пропускания ограничителя в рабочей области спектра (кривой чувствительности глаза или области чувствительности приемников излучения), что обеспечивает нейтральное окрашивание поля зрения оптических приборов.

2. Высокая степень ослабления интенсивности входного излучения ω - коэффициент ограничения (ослабления) излучения (КО), под которым понимается отношение интенсивности падающего излучения к интенсивности излучения, прошедшего лимитер.

3. Высокая скорость включения лимитирующего устройства.

Эффект лимитирования лазерного излучения достигается различными способами. Наиболее удобны пассивные виды лимитеров, основанные на нелинейном динамическом поглощении, в частности на обратном насыщенном поглощении (RSA), многофотонном поглощении излучения, его термической дефокусировке и фоторефракции [1].

Известен ограничитель интенсивности лазерного излучения, корпус которого содержит лимитирующее вещество с обратным насыщенным поглощением высокоинтенсивного оптического излучения - металлоорганический комплекс бис(триметил)фосфин-декакарбонил-железо-трикобальт, и внешние собирательные линзы, фокусирующие падающее излучение в вещество ограничителя [2].

Недостатками такого лимитера являются низкое начальное пропускание излучения и узкая полоса линейного пропускания материала лимитера, а также немоноблочность его корпуса, что допускает загрязнение оптических частей устройства, резко уменьшающих его эффективность.

Известен также светофильтр для защиты глаз наблюдателя и оптико-электронных приборов от мощного светового излучения, представляющий собой прозрачную герметичную кювету, заполненную жидкостью, поглощающей падающее излучение [3].

К недостаткам такого светофильтра относится чрезвычайно низкое начальное пропускание, не зависящее от интенсивности падающего излучения, что исключает его применение в составе оптических приборов.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому устройству является монолитный ограничитель интенсивности лазерного излучения, состоящий из корпуса, ориентированного вдоль направления распространения падающего излучения, с собирательными линзами, размещенными на торцах корпуса, который выбран в качестве прототипа [4]. Ограничение высокоинтенсивного оптического ограничителя достигается за счет двухфотонного поглощения в материале корпуса лимитера - ZeSe и ZnS в видимом диапазоне спектра, дихлорида меди в УФ-диапазоне спектра и HgCdTe в ИК-диапазоне спектра.

Недостатками прототипа являются высокая токсичность применяемых веществ, малое линейное пропускание и узкая полоса линейного пропускания в рабочей области спектра твердотельных материалов лимитера и их малая лучевая прочность: при попадании сфокусированного излучения в периферийные участки ограничителя было, вероятно, его оптическое разрушение [5].

Указанные недостатки могут быть преодолены за счет того, что корпус лимитера содержит внутреннюю полость, заполненную лимитирующим веществом, которое обладает нелинейным динамическим поглощением. В качестве лимитирующего вещества может быть использован расслаивающийся раствор с нижней критической точкой, в частности водный раствор триэтиламина концентрации С_раб=(32±2) мас.%, при рабочей температуре раствора менее его критической температуры (t_раб<t_кр=18,163°С) или водный раствор 2-бутоксиэтанола (бутилцеллозольва) концентрации С_раб=(30±2) мас.%, при рабочей температуре раствора менее его критической температуры (t_раб<t_кр=48,272°С).

В расслаивающихся растворах с нижней критической точкой расслоения вода-триэтиламин и вода-бутилцеллозольв был обнаружен светоиндуцированный спинодальный распад [6]. Оптотермодинамический перевод растворов через критическую точку под действием лазерного излучения приводит к созданию в них лабильного состояния, релаксация которого в устойчивое состояние происходит с образованием микрогетерофазных неоднородностей концентрации и последующим расслоением. Объемный рост новой фазы сопровождается появлением неоднородностей показателя преломления, что вызывает усиление рассеяния излучения вблизи критической температуры. Концентрация раствора вблизи ее критического значения может меняться в достаточно широких пределах, например при С_раб=(32±2) мас.% для водного раствора триэтиламина и С_раб=(30±2) мас.% для водного раствора 2-бутоксиэтанола (бутилцеллозольва).

Целью данного изобретения является создание лимитера лазерного излучения с высоким начальным пропусканием и широким интервалом рабочих длин волн, обеспечивающим нейтральное окрашивание поля зрения оптических приборов.

Поставленная цель расширения диапазона рабочих длин волн, в котором происходит ограничение лазерного излучения, достигается применением портативного моноблочного лимитера лазерного излучения с внутренней полостью, заполненной лимитирующим веществом, которое обладает нелинейным динамическим поглощением. Выбор габаритных размеров зависит от условий применения моноблочного ограничителя (необходимого фокусного расстояния, размера пятна фокусировки). Использование такого моноблочного ограничителя исключает влияние внешней среды, так как весь процесс ограничения лазерного излучения происходит в лимитирующем веществе, находящемся во внутренней полости корпуса.

На фиг.1 показана конструкция предлагаемого моноблочного ограничителя интенсивности лазерного излучения, корпус 1 которого ориентирован вдоль направления распространения падающего излучения 2, с собирательными линзами 3, 4, расположенными на торцах корпуса 5, и лимитрующим веществом 6, помещенным во внутреннюю полость 7 корпуса лимитера. Если фокусные расстояния линз 3 и 4 равны F₁ и F₂ соответственно, а линзы находятся на расстоянии L друг от друга, то при L=F₁+F₂ низкоинтенсивное падающее излучение свободно проходит через ограничитель, причем линза 3 фокусирует падающее излучение в рабочее вещество 6 ограничителя, а линза 4 придает выходящему излучению 8 первоначальную форму.

В случае падения на лимитер высокоинтенсивного излучения линза 3 фокусирует падающее излучение в лимитирущее вещество 6 ограничителя, увеличивая плотность мощности (и энергии падающего излучения) до уровня, при котором происходит динамическое поглощение лазерного излучения, что создает условия ограничения его интенсивности в лимитирующем веществе ограничителя.

На фиг.2 представлена схема установки для измерения КО. Внедрение растворов в область фазовой лабильности осуществлялось в результате светоиндуцированного нагрева при поглощении действовавшего на них излучения лазера на неодимовом стекле 9 с длительностью импульса излучения τ=1,5 мс при плотности мощности (интенсивность) излучения ω≤250 кВт/см². Для отсечения ненужной части излучения использовалась диафрагма 11. Производилось измерение интенсивности излучения на входе с помощью отклоняющей лазерное излучение стеклянной пластины 13 и измерителя энергии 12. Также измерялась интенсивность излучения после прохождения моноблочного ограничителя 14 на выходе с помощью измерителя энергии 15. Значения ω могли варьироваться с использованием набора нейтральных светофильтров 10.

Возможность ослабления мощного оптического излучения может быть связана с явлением сильного рассеяния падающего высокоинтенсивного излучения под действием эффекта светоиндуцированного спинодального распада в расслаивающем растворе с нижней критической точкой, расположенном в замкнутом объеме внутренней полости корпуса лимитера. При этом в качестве лимитирующего вещества может быть использован водный раствор триэтиламина критической концентрации (С_кр=32,118 мас.%, t_кр=18,163°С) или водный раствор 2-бутоксиэтанола (бутилцеллозольва) критической концентрации (С_кр=30,140 мас.%, t_кр=48,272°С). Эти вещества практически прозрачны в видимой и ближней ИК-областях спектра (рабочей области спектра ограничителя).

Для осуществления работы растворов не требуется точное соблюдение критической концентрации растворов, так что рабочая концентрация лимитирующих растворов может составлять С_раб=(С_кр±2) мас.%, а рабочая температура лимитирующих растворов должна быть менее их критической температуры (t_раб<t_кр). Время срабатывания лимитирующих расслаивающихся растворов с нижней критической точкой может составлять от нескольких нс до нескольких мкс, что обеспечивает высокую скорость включения лимитирующего устройства на таких лиитирующих веществах.

В результате применения жидких лимитирующих веществ обеспечивается стойкость к оптическому повреждению (оптическая прочность) моноблочного ограничителя, так как в отличие от твердого лимитирующего вещества в жидкости достигается восстановление ее прочностных свойств между циклами работы ограничителя за счет конвекции лимитирующей жидкости.

Примеры

Пример 1. Были проведены измерения коэффициента ослабления КО излучения лазера на неодимовом стекле с длительностью импульса излучения τ=1,5 мс при плотности мощности (интенсивность) излучения ω≤250 кВт/см², с использованием моноблочного лимитера с корпусом из оптического стекла, во внутренней полости которого находился водный раствор триэтиламина концентрации С_раб=30% при температуре t_раб=15°С.

Получаемое значении КО (ω=150 кВт/см²)=5.

Пример 2. Были проведены измерения коэффициента ослабления КО излучения лазера на неодимовом стекле (τ=1,5 мс, ω≤150 кВт/см²), с использованием моноблочного лимитера с корпусом из оптического стекла, во внутренней полости которого находился водный раствор триэтиламина концентрации С_раб=32% при температуре t_раб=18°С. Схема установки для измерения КО представлена на фиг.2.

Получаемое значении КО (ω=100 кВт/см²)=10.

Пример 3. Были проведены измерения коэффициента ослабления КО излучения лазера на неодимовом стекле (τ=1,5 мс, ω≤150 кВт/см²), с использованием моноблочного лимитера с корпусом из оптического стекла, во внутренней полости которого находился водный раствор триэтиламина концентрации С_раб=34% при температуре t_раб=17°С. Схема установки для измерения КО представлена на фиг.2.

Получаемое значении КО (ω=150 кВт/см²)≈5.

Пример 4. Были проведены измерения коэффициента ослабления КО излучения лазера на неодимовом стекле (τ=1,5 мс, ω≤150 кВт/см²), с использованием моноблочного лимитера с корпусом из оптического стекла, во внутренней полости которого находился водный раствор 2-бутоксиэтанола концентрации С_раб=28% при температуре t_раб=45°С. Для измерения КО использовалась установка, представленная на фиг.2.

Получаемое значение КО (ω=230 кВт/см²)=5.

Пример 5. Были проведены измерения коэффициента ослабления КО излучения лазера на неодимовом стекле (τ=1,5 мс, ω≤150 кВт/см²), с использованием моноблочного лимитера с корпусом из оптического стекла, во внутренней полости которого находился водный раствор 2-бутоксиэтанола концентрации С_раб=30% при температуре t_раб=48°С. Для измерения КО использовалась установка, представленная на фиг.2.

Получаемое значение КО (ω=170 кВт/см²)=10.

Пример 6. Были проведены измерения коэффициента ослабления КО излучения лазера на неодимовом стекле (τ=1,5 мс, ω≤150 кВт/см²), с использованием моноблочного лимитера с корпусом из оптического стекла, во внутренней полости которого находился водный раствор 2-бутоксиэтанола концентрации С_раб=32% при температуре t_раб=47°С. Для измерения КО использовалась установка, представленная на фиг.2.

Получаемое значение КО (ω=230 кВт/см²)=5.

Данное техническое решение является новым, а совокупность отличительных признаков не следует из известных технических решений. Такой ограничитель лазерного излучения является универсальным, так как с помощью него осуществляется ограничение интенсивности излучения путем легкой замены рабочего вещества.

Заявляемый моноблочный ограничитель интенсивности лазерного излучения может применяться, например, в бинокле или другом оптическом приборе для защиты фотоприемных устройств и органов зрения от разрушения и ослепления излучением высокой интенсивности.

Источники информации

1. L.W.Tutt, T.F.Boggess - Prog. Quantum Electron., 1993, v.17, p.299-338.

2. Патент США №5.080.469.

3. Патент РФ №2110817.

4. Патент США №4.846.561.

5. E.W.Van Stryland, Y.Y.Wu, DJ.Hagan and all. - JOSA, 1988, v.5, No.9, p.1980-1988.

6. Ф.В Бункин, В.М.Подгаецкий, В.Н.Семин - Письма в ЖТФ, 1988, т.14, №2, с.162-164.