Оптический пассивный затвор

Изобретение относится к оптической и оптоэлектронной технике, а именно к устройствам предохранения фоточувствительных элементов оптических и оптоэлектронных систем от разрушающего воздействия мощного излучения. Оптический пассивный затвор содержит локально плавящуюся или испаряющуюся излучением зеркальную металлическую пленку, располагаемую в фокальной области объектива и закрепляемую с помощью прозрачной подложки. Со стороны облучения затвор содержит также слой прозрачного жидкого или твердого золя с наночастицами с размерами меньше длины волны излучения. Зеркальная пленка расположена на подложке со стороны облучения или противоположной стороны. Технический результат - обеспечение пониженного порога срабатывания затвора. 4 ил.

 

Изобретение относится к оптической и оптоэлектронной технике, к устройствам предохранения фоточувствительных элементов оптических и оптоэлектронных систем от разрушающего воздействия мощного излучения.

Аналогом изобретения является оптический ограничитель излучений (лимитер) в виде твердого или жидкого слоя прозрачной среды, содержащей наночастицы в виде фуллеренов, или углеродных наночастиц, или наночастиц металлов, устанавливаемый по ходу излучения, направленного к приемнику излучения, используемый для защиты чувствительных приемников излучений от повреждения мощным излучением [Каманина Н.В. Фотофизика фуллеренсодержащих сред: ограничители лазерного излучения, дифракционные элементы, диспергированные жидкокристаллические модуляторы света. // Нанотехника. №1, 2006]. Излучение проходит через золь или пленку, обладающую прозрачностью (50-70)%, к защищаемому приемнику; при увеличении интенсивности излучения его поглощение в среде нелинейно увеличивается, и к приемнику проходит ослабленное излучение. Недостатком такой защиты является малая кратность ограничения (порядка 10 раз) при однократном прохождении излучения через среду.

Другим аналогом изобретения является оптический ограничитель с многократным прохождением ограничиваемого излучения через содержащую наночастицы одну и ту же нелинейно-оптическую среду, что существенно увеличивает кратность ослабления излучения [High-efficiency multipass optical limiter / N.M. Barbosa Neto et al. // Optics Letters. - 2003. - V. 28, №3. - p.191-193]. В этом устройстве зеркала, обеспечивающие многократное прохождение излучения через нелинейно-оптическую среду, расположены вне этой среды.

Недостатком обоих аналогов является недостаточная лучевая прочность ограничителей, в результате при попадании на них мощного лазерного излучения (порядка 3 Дж/см²) они разрушаются.

Известно также другое устройство, которое мы считаем прототипом заявленного. Подвергаемую абляции лазерным излучением зеркальную металлическую пленку на пленочной полимерной подложке используют в качестве пассивного затвора для предохранения чувствительных элементов фотоприемников [Cohn et al., US Patent 4719342, January 12, 1988]. Металлическая пленка на прозрачной полимерной пленочной подложке помещается на пути светового пучка в фокальной плоскости объектива фотоприемного устройства; отражаемый от зеркальной пленки свет с помощью дополнительной оптики формирует изображение на поверхности чувствительного фотоприемника; при увеличении интенсивности падающего излучения в пленке прожигается отверстие, излучение после этого проходит в отверстие, не отражаясь от зеркальной пленки, и не попадает к фотоприемнику; фотоприемник оказывается не поврежденным излучением. В данном техническом решении импульс излучения производит необходимый для защиты приемников эффект, испаряя зеркальную пленку своим передним фронтом, энергия остальной части импульса выходит из затвора, не поглощаясь в его среде, что увеличивает лучевую прочность затвора.

Недостатком прототипа является значительная величина пороговой интенсивности излучения, при которой за счет абляции прожигается отверстие в зеркале - отражателе оптического затвора

Задачей, решаемой данным предложением, является уменьшение порога срабатывания затвора с прожигаемой зеркальной пленкой при защите приемников излучения от ослепляющего действия мощного лазерного излучения.

Задача решается тем, что в оптическом пассивном затворе, содержащем локально плавящуюся или испаряющуюся излучением зеркальную металлическую пленку, располагаемую в фокальной области объектива и закрепляемую с помощью прозрачной подложки, в соответствии с изобретением, со стороны облучения затвор содержит также слой прозрачного жидкого или твердого золя с наночастицами с размерами меньше длины волны излучения, причем зеркальная пленка расположена на подложке со стороны облучения или противоположной стороны.

На фиг.1 показана оптическая схема расположения объектива и элементов затвора в соответствии с п.1 изобретения. На фиг.2, 3 и 4 показаны варианты устройства оптического затвора по изобретению.

На фиг.1: 1 - объектив, 2 - зеркальная металлическая локально плавящаяся или испаряющаяся пленка, установленная в фокальной области объектива на фокальном расстоянии f от объектива, 3 - слой прозрачного золя, содержащего наночастицы с размерами меньше длины волны, 4 - входящее излучение, 5 - входной зрачок оптической системы, 6 - прошедшее затвор излучение, далее попадающее в приемник излучения, не показанный на чертеже. Подложка зеркальной пленки не показана на фигуре, она может быть или с одной, или с другой стороны зеркальной пленки.

Следует отметить, что наряду с термином «золь» для обозначения среды, содержащей в жидкой или твердой матрице малые, в том числе наноразмерные частицы, используется также термин «гель».

Фиг.2 - устройство затвора с твердым золем: а) состояние затвора до открытия, б) состояние после открытия. Здесь 2 - зеркальная пленка, 3 - слой содержащего наночастицы твердого золя, 4 и 8 - падающий и отраженный от зеркального слоя лазерные лучи, 7 - прозрачная подложка, 9 - приемник излучения, 10 - прошедший после срабатывания затвора лазерный луч, 11 - отверстие в зеркальном слое, проделанное лазерным импульсом.

Фиг.3 - устройство затвора с жидким золем: а) состояние затвора до открытия, б) состояние после открытия. Здесь 2 - зеркальная пленка, 4 и 8 - падающий и отраженный от зеркального слоя лазерные лучи, 7 - прозрачная подложка, 9 - приемник излучения, 10 - прошедший после срабатывания затвора лазерный луч, 11 - отверстие в зеркальном слое, проделанное лазерным импульсом, 12 - слой содержащего наночастицы жидкого золя, 13 - прозрачная стенка кюветы с жидким золем, 14 - корпус кюветы.

Фиг.4 - устройство затвора в варианте с размещением зеркального слоя со стороны подложки, противоположной облучаемой: а) с твердым золем, б) с жидким золем. Здесь: 2 - зеркальная пленка, 4 и 8 - падающий и отраженный от зеркального слоя лазерные лучи, 7 - прозрачная подложка, 9 - приемник излучения, 12 - слой содержащего наночастицы жидкого золя, 13 - прозрачная стенка кюветы с жидким золем, 14 - корпус кюветы, 15 - область в зеркальной пленке, где в результате воздействия лазерного импульса возникает отверстие в зеркальном слое.

Оптический затвор по изобретению работает следующим образом. Как показано на фиг.1, металлическая пленка 2 затвора расположена в области фокуса объектива 1; излучение 4 входит в оптическую систему через входной зрачок 5, объективом 1 фокусируется на пленку 2, проходит слой 3 золя с наночастицами, имеющими размеры меньше длины волны, и отражается от зеркальной металлической пленки, давая световой поток 6. При увеличении интенсивности излучения 4 выше некоторого порогового уровня фуллерены в слое золя переходят с основного уровня энергии на возбужденный с одновременным увеличением сечения поглощения излучения, что ослабляет световой поток с кратностью М; после отражения от зеркальной пленки 2 излучение вновь пересекает слой золя 3 и вновь ослабляется с кратностью М, так что общее ослабление излучения в слое золя имеет кратность М²; при этом не учитывается ослабление при отражении от зеркальной пленки, имеющей коэффициент отражения R.

На описываемом этапе устройство работает как двухпроходной ограничитель, в котором двукратное прохождение излучения через нелинейно-оптическую среду с фуллеренами или другими наночастицами происходит вследствие однократного отражения излучения от зеркала, погруженного в среду золя или с ним граничащего.

Дальнейшее увеличение интенсивности входящего в систему излучения 4 может привести к двум результатам:

- просветлению слоя золя 3; интенсивность приходящего к зеркальной пленке увеличивается, увеличивается интенсивность и попадающего с потоком 6 к фоточувствительному приемнику излучения, что может разрушить приемник;

- термическому плавлению или испарению локального участка зеркальной пленки 2 в области фокального пятна и образованию в пленке сквозного отверстия, через которое световой поток уходит из системы и не формирует выходящий поток 6; приемник излучения остается неповрежденным.

Вероятность просветления нелинейно-оптического золя зависит от интенсивности излучения в слое 3, что определяется его расстоянием от фокальной плоскости объектива 1. Задавая величину этого расстояния, можно добиваться того, чтобы при просветлении золя имело место лазерное прожигание отверстия в зеркальной пленке. При таком расстоянии увеличивается лучевая прочность затвора.

На Фиг.2, а), на прозрачной подложке 7 расположена зеркальная тонкая пленка металла 2, поверх которой расположен слой твердого прозрачного золя 3, содержащий наночастицы с размерами менее длины волны излучения. Падающий луч 4 проходит слой 3 и отражается от металлической пленки 2, давая луч 8, попадающий в приемник излучения 9.

При увеличении интенсивности излучения происходит возбуждение нелинейно-оптической среды, как показано выше, луч 8 ослабляется с кратностью М², дальнейшее увеличение интенсивности просветляет среду золя, в пленке 2 прожигается отверстие 11, через которое из системы с лучом 10 (Фиг.2, б) уходит энергия падающего излучения.

На Фиг.3 схематически показано устройство затвора с использованием слоя 12 жидкого нелинейно-оптического золя с наночастицами. Слой 12 жидкого золя заключен в кювете с прозрачными окнами, роль которых играют прозрачная подложка 7 и прозрачная пластина 13, подложка и пластина скреплены по периметру корпусом 14. Происходящие в кювете процессы аналогичны процессам, объясненным выше для фиг.2: излучение здесь дополнительно должно проходить верхнюю прозрачную пластину 13; при увеличении интенсивности излучения в металлической пленке здесь также прожигается отверстие 11 и из системы с лучом 10 уходит падающее на систему через входной зрачок излучение.

На Фиг.4,а) зеркальный слой размещен на тыльной стороне прозрачной подложки 7, на облучаемой стороне расположен слой 3 твердого нелинейно-оптического золя. После прохождения слоя 3 излучение ослабляется, как показано выше, и проходит подложку 7, достигая зеркального слоя 2, от которого отражается. Так как излучение сфокусировано на зеркальном слое 2, то пучок света, направленный к слою 2, сходящийся, а отраженный - расходящийся, интенсивность и падающего, и отраженного пучков в области слоя 3 меньше, чем на поверхности металлической пленки 2. Изменяя толщину подложки 7, можно регулировать интенсивность светового пучка в зоне золя, то есть предопределять возникновение эффекта просветления золя при увеличении интенсивности падающего на систему лазерного излучения и предопределять условия прожигания отверстия 15 в зеркальной пленке.

Аналогичные пояснения пригодны для затвора на Фиг.4,б) со слоем 12 жидкого золя между поверхностями подложки 7 и прозрачной пластины 13, пластины скреплены корпусом 14.

Таким образом, поставленная задача решается: при сохранении высокой лучевой прочности затвора увеличивается его чувствительность к лучевым перегрузкам, уменьшается порог срабатывания затвора.

Для изготовления затвора могут быть применены обычные для оптического производства технологии. В качестве материалов могут быть выбраны: для слоя твердого золя полимеры, например полиимид, и образующие золь наночастицы металла, углерода, фуллерены и фуллереноподобные вещества; для жидкого золя - вода, толуол и указанные наночастицы. Прозрачные пластинки могут быть изготовлены из стекла, прозрачных в необходимом диапазоне кристаллов или полупроводников; пленки металлов могут быть выполнены из легкоиспаряющихся и легкоплавких металлов типа висмута, магния, щелочных металлов, характерная толщина металлической пленки 30-50 нм получается при вакуумном напылении пленок на подложки.

Таким образом, показано, что отличительные особенности изобретения позволяют решить поставленные задачи.

Оптический пассивный затвор может найти применение в оптоэлектронике в качестве оптического предохранителя, предохраняющего от возможных лучевых повреждений фотоприемные устройства.

Технический результат изобретения состоит в создании оптического затвора-ограничителя излучений с повышенной лучевой прочностью, имеющего пониженный порог срабатывания

Оптический пассивный затвор, содержащий локально плавящуюся или испаряющуюся излучением зеркальную металлическую пленку, располагаемую в фокальной области объектива и закрепляемую с помощью прозрачной подложки, отличающийся тем, что со стороны облучения затвор содержит также слой прозрачного жидкого или твердого золя с наночастицами с размерами меньше длины волны излучения, причем зеркальная пленка расположена на подложке со стороны облучения или противоположной стороны.