RU2350991C1 - Моноблочный ограничитель интенсивности лазерного излучения - Google Patents
Моноблочный ограничитель интенсивности лазерного излучения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2350991C1 RU2350991C1 RU2007123434/28A RU2007123434A RU2350991C1 RU 2350991 C1 RU2350991 C1 RU 2350991C1 RU 2007123434/28 A RU2007123434/28 A RU 2007123434/28A RU 2007123434 A RU2007123434 A RU 2007123434A RU 2350991 C1 RU2350991 C1 RU 2350991C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- limiter
- solution
- work
- monoblock
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 66
- ZMANZCXQSJIPKH-UHFFFAOYSA-N Triethylamine Chemical compound CCN(CC)CC ZMANZCXQSJIPKH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 24
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 9
- POAOYUHQDCAZBD-UHFFFAOYSA-N 2-butoxyethanol Chemical compound CCCCOCCO POAOYUHQDCAZBD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 18
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 14
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 15
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000004040 coloring Methods 0.000 abstract description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 2
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 7
- QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N neodymium atom Chemical compound [Nd] QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000005312 nonlinear dynamic Methods 0.000 description 3
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 241000961787 Josa Species 0.000 description 1
- 229910000661 Mercury cadmium telluride Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- ORTQZVOHEJQUHG-UHFFFAOYSA-L copper(II) chloride Chemical compound Cl[Cu]Cl ORTQZVOHEJQUHG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229960003280 cupric chloride Drugs 0.000 description 1
- 230000000254 damaging effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N h2o hydrate Chemical compound O.O JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 231100000086 high toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- JEUXZUSUYIHGNL-UHFFFAOYSA-N n,n-diethylethanamine;hydrate Chemical compound O.CCN(CC)CC JEUXZUSUYIHGNL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001330 spinodal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000002211 ultraviolet spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000008207 working material Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области оптической техники. В моноблочном лимитере корпус содержит внутреннюю полость, заполненную лимитирующим веществом, которое обладает нелинейным поглощением. В качестве лимитирующего вещества может быть использован расслаивающийся раствор с нижней критической точкой, в частности водный раствор триэтиламина концентрации Cраб=(32±2) мас.%, при рабочей температуре раствора менее его критической температуры (tраб<tкр=18,163°С) или водный раствор 2-бутоксиэтанола концентрации Сраб=(30±2) мас.%, при рабочей температуре раствора менее его критической температуры (tраб<tкр=48,272°C). Технический результат - создание ограничителя лазерного излучения с высоким начальным пропусканием и широким интервалом рабочих длин волн, обеспечивающим нейтральное окрашивание поля зрения оптических приборов. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
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 Сраб=(32±2) мас.%, при рабочей температуре раствора менее его критической температуры (tраб<tкр=18,163°С) или водный раствор 2-бутоксиэтанола (бутилцеллозольва) концентрации Сраб=(30±2) мас.%, при рабочей температуре раствора менее его критической температуры (tраб<tкр=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 Сраб=(32±2) мас.% для водного раствора триэтиламина и Сраб=(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 (Скр=32,118 мас.%, tкр=18,163°С) или водный раствор 2-бутоксиэтанола (бутилцеллозольва) критической концентрации (Скр=30,140 мас.%, tкр=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 Сраб=(Скр±2) мас.%, а рабочая температура лимитирующих растворов должна быть менее их критической температуры (tраб<tкр). 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 Сраб=30% при температуре tраб=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 Сраб=32% при температуре tраб=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 Сраб=34% при температуре tраб=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 Сраб=28% при температуре tраб=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 Сраб=30% при температуре tраб=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 Сраб=32% при температуре tраб=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.
Claims (3)
1. Моноблочный ограничитель интенсивности лазерного излучения, состоящий из корпуса, ориентированного вдоль направления распространения падающего излучения, с собирательными линзами, размещенными на торцах корпуса, отличающийся тем, что корпус содержит внутреннюю полость, объем которой заполнен лимитирующим веществом, обладающим нелинейным поглощением, в качестве которого использован расслаивающийся раствор.
2. Моноблочный ограничитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве лимитирующего вещества использован водный раствор триэтиламина концентрации Cраб=(32±2) мас.%, при рабочей температуре раствора менее его критической температуры (tраб<tкр=18,163°С).
3. Моноблочный ограничитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве лимитирующего вещества использован водный раствор 2-бутоксиэтанола концентрации Сраб=(30±2) мас.%, при рабочей температуре раствора менее его критической температуры (tраб<tкр=48,272°C).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007123434/28A RU2350991C1 (ru) | 2007-06-22 | 2007-06-22 | Моноблочный ограничитель интенсивности лазерного излучения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007123434/28A RU2350991C1 (ru) | 2007-06-22 | 2007-06-22 | Моноблочный ограничитель интенсивности лазерного излучения |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2350991C1 true RU2350991C1 (ru) | 2009-03-27 |
Family
ID=40543031
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007123434/28A RU2350991C1 (ru) | 2007-06-22 | 2007-06-22 | Моноблочный ограничитель интенсивности лазерного излучения |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2350991C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2481604C1 (ru) * | 2011-10-18 | 2013-05-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Устройство для ограничения интенсивности лазерного излучения |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4846561A (en) * | 1988-06-21 | 1989-07-11 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Monolithic optical power limiter based on two-photon absorption |
| RU2238577C2 (ru) * | 2001-06-18 | 2004-10-20 | Закрытое акционерное общество "Астрин-Холдинг" | Нелинейно-оптический элемент для ограничения потоков электромагнитного излучения |
-
2007
- 2007-06-22 RU RU2007123434/28A patent/RU2350991C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4846561A (en) * | 1988-06-21 | 1989-07-11 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Monolithic optical power limiter based on two-photon absorption |
| RU2238577C2 (ru) * | 2001-06-18 | 2004-10-20 | Закрытое акционерное общество "Астрин-Холдинг" | Нелинейно-оптический элемент для ограничения потоков электромагнитного излучения |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2481604C1 (ru) * | 2011-10-18 | 2013-05-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Устройство для ограничения интенсивности лазерного излучения |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hollins | Materials for optical limiters | |
| Tutt et al. | A review of optical limiting mechanisms and devices using organics, fullerenes, semiconductors and other materials | |
| US4890075A (en) | Optical radiation limiter | |
| CA1302753C (en) | Non-destructive optical trap for biological particles and method of doing same | |
| US4909609A (en) | Nonlinear optical protection against frequency agile lasers | |
| CA2464904C (en) | Optical limiter | |
| US6652778B1 (en) | Reversible thermochromic optical limiter | |
| US5448382A (en) | Nonlinear optical scattering screen viewer | |
| Koo et al. | Passive optical limiting of picosecond-nanosecond laser pulses using highly nonlinear organic liquid cored fiber array | |
| US8478087B2 (en) | Optical limiter | |
| RU2007123861A (ru) | Фазоконтрастное устройство для визуализации прозрачных объектов | |
| RU2350991C1 (ru) | Моноблочный ограничитель интенсивности лазерного излучения | |
| Manshad et al. | Optical limiting properties of magenta doped PMMA under CW laser illumination | |
| EP2299312A1 (en) | Light excited limiting window | |
| Khoo | Nonlinear organic liquid-cored fiber array for all-optical switching and sensor protection against short-pulsed lasers | |
| WO1989009945A1 (en) | Optical switch device | |
| US5317454A (en) | Broadband self-activated optical power limiter system and device | |
| Nashold et al. | Temporal and spatial characterization of optical breakdown in a suspension of small absorbing particles | |
| Hollins | Overview of research on nonlinear optical limiters at DERA | |
| Kumar et al. | Study of all-optical switching properties of zinc phthalocyanine thin film by pump-probe technique | |
| Hagan et al. | Optical limiting | |
| Sultan et al. | Experimental and Theoretical Study of the Laser Induced Diffraction Pattern in the Acid Orange 10 Dye: Polyacrylamide Gel | |
| US5348688A (en) | Optical power limiters and materials therein | |
| Grout | Application of bacteriorhodopsin for optical limiting eye protection filters | |
| US3561842A (en) | Light disrupter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160623 |