[go: up one dir, main page]

RU2509323C2 - Optical passive shutter - Google Patents

Optical passive shutter Download PDF

Info

Publication number
RU2509323C2
RU2509323C2 RU2012104098/28A RU2012104098A RU2509323C2 RU 2509323 C2 RU2509323 C2 RU 2509323C2 RU 2012104098/28 A RU2012104098/28 A RU 2012104098/28A RU 2012104098 A RU2012104098 A RU 2012104098A RU 2509323 C2 RU2509323 C2 RU 2509323C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
film
shutter
metal
layer
Prior art date
Application number
RU2012104098/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012104098A (en
Inventor
Владимир Владимирович Чесноков
Дмитрий Владимирович Чесноков
Виктор Брунович Шлишевский
Сергей Леонидович Шергин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ФГБОУ ВПО "СГГА")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ФГБОУ ВПО "СГГА") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ФГБОУ ВПО "СГГА")
Priority to RU2012104098/28A priority Critical patent/RU2509323C2/en
Publication of RU2012104098A publication Critical patent/RU2012104098A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2509323C2 publication Critical patent/RU2509323C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Laminated Bodies (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: shutter has a metal film which is evaporated by focused radiation, the metal film being disposed on a transparent substrate which is mechanically mounted in the optical system of a radiation receiver in the plane of the intermediate real image of the lens. The film is placed on the transparent substrate with spacing around its perimetre, which is greater than the depth of resolution of forming the intermediate image by the lens.
EFFECT: nanosecond response delay of operation in a wide spectral range, low triggering threshold.
7 dwg

Description

Изобретение относится к оптической и оптоэлектронной технике, к устройствам предохранения фоточувствительных элементов оптических и оптоэлектронных систем от разрушающего воздействия мощного излучения.The invention relates to optical and optoelectronic technology, to devices for protecting the photosensitive elements of optical and optoelectronic systems from the damaging effects of powerful radiation.

Для защиты чувствительных приемников излучений от повреждения мощным излучением исследуется применение золей или тонких пленок, содержащих наночастицы углерода или металлов [Каманина Н.В. Фотофизика фуллереносодержащих 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 до практически полной непрозрачности среды, и приемник оказывается защищенным от повреждения мощным излучением. Недостатком такой защиты является инерционность наступления защитного эффекта, которая составляет (10-100) нс и более. Причина инерционности принципиально не устранима и обусловлена значительным объемом среды, в которой должна быть поглощена световая энергия падающего излучения для наступления нелинейного поглощения света.To protect sensitive radiation detectors from damage by powerful radiation, the use of sols or thin films containing carbon or metal nanoparticles is being investigated [N. Kamanina Photophysics of fullerene-containing media: laser radiation limiters, diffraction elements, dispersed liquid crystal light modulators // Nanotechnology. No. 1, 2006]. The radiation passes through a sol or film with a transparency of (50-70)% to the protected receiver; as the radiation intensity increases, its absorption in the medium nonlinearly increases to almost complete opacity of the medium, and the receiver is protected from damage by powerful radiation. The disadvantage of this protection is the inertia of the onset of the protective effect, which is (10-100) ns or more. The cause of inertia is fundamentally not removable and is due to the significant volume of the medium in which the light energy of the incident radiation must be absorbed for the onset of nonlinear light absorption.

Известно также другое устройство, которые 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 at al.,US Patent 4,719,342 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 излучение производит необходимый для защиты приемников эффект, поглощаясь в слое среды толщиной порядка толщины скин-слоя в металле, то есть, в слое приблизительно в 100 раз меньшем, чем в аналоге.Another device is also known, which we consider to be the prototype of the claimed device. Laser ablated mirror metal film on a polymer film substrate is used as a passive shutter to protect sensitive elements of photodetectors [Cohn at al., US Patent 4,719,342 January 12, 1988]. A metal film on a transparent polymer film substrate is placed in the path of the light beam in the focal plane of the objective of the photodetector; the light reflected from the mirror film with the help of additional optics forms an image on the surface of a sensitive photodetector; with an increase in the intensity of the incident radiation, a hole is burned in the film, the radiation then passes into the hole without being reflected from the mirror film and does not reach the photodetector; the photodetector is not damaged by radiation. In this technical solution, the radiation produces the effect necessary to protect the receivers, being absorbed in a layer of the medium with a thickness on the order of the thickness of the skin layer in the metal, that is, in the layer approximately 100 times smaller than in the analogue.

Недостатками прототипа являются значительная величина пороговой интенсивности излучения, при которой за счет абляции прожигается отверстие в зеркале - отражателе оптического затвора, а также сложность конструкции, затрудняющая использовать затвор в механически не управляемых оптических устройствах, например в оптических чипах микросистемной техники.The disadvantages of the prototype are a significant threshold intensity of radiation, at which due to ablation, a hole is burned in the mirror - reflector of the optical shutter, as well as the complexity of the design, which makes it difficult to use the shutter in mechanically uncontrolled optical devices, for example, in optical chips of microsystem technology.

Задачей, решаемой данным предложением, является увеличение быстродействия затвора, уменьшение пороговой интенсивности излучения срабатывания затвора и создание простой конструкции затвора в виде чипа.The problem solved by this proposal is to increase the shutter speed, reduce the threshold intensity of the shutter emission radiation and create a simple shutter design in the form of a chip.

Решение задачи достигается тем, что в оптическом пассивном затворе, содержащем испаряющуюся сфокусированным излучением металлическую пленку на прозрачной подложке, механически закрепляемую в плоскости промежуточного действительного изображения оптической системы приемника излучения в соответствии с изобретением, упомянутая пленка хотя бы частично состоит из легкоплавкого металла.The solution to the problem is achieved in that in an optical passive shutter containing a metal film evaporated by focused radiation on a transparent substrate, mechanically fixed in the plane of the intermediate real image of the optical system of the radiation receiver in accordance with the invention, said film at least partially consists of fusible metal.

Дополнительно предлагается, что металлическая пленка двухслойная, причем на облучаемой стороне пленки расположен слой легкоплавкого металла.It is further suggested that the metal film is two-layer, with a layer of low-melting metal located on the irradiated side of the film.

Дополнительно предлагается, что упомянутая пленка на подложке закреплена по своему периметру над плоской прозрачной пластиной с зазором от ее поверхности, причем величина зазора d рассчитывается по формуле:Additionally, it is proposed that the said film on the substrate is fixed along its perimeter above a flat transparent plate with a gap from its surface, and the gap value d is calculated by the formula:

d a 0 a d λ 1 M ( M + 1 ) 2

Figure 00000001
, d a 0 a d λ one M ( M + one ) 2
Figure 00000001
,

где λ - длина волны излучения; М - линейное поперечное увеличение второго действительного изображения относительно промежуточного; a 0 и a d - диаметр необходимой области засветки чувствительной поверхности упомянутого приемника излучением, отраженным от наружной поверхности упомянутого окна, и диаметр кружка рассеяния, создаваемого упомянутой оптической системой, оба в плоскости чувствительной поверхности упомянутого приемника.where λ is the radiation wavelength; M is a linear transverse increase in the second real image relative to the intermediate; a 0 and a d are the diameter of the required area of illumination of the sensitive surface of said receiver by radiation reflected from the outer surface of said window, and the diameter of the scattering circle created by said optical system are both in the plane of the sensitive surface of said receiver.

На фиг.1 приведен пример оптической схемы применения предлагаемого оптического пассивного затвора как ограничителя излучения, на фиг.2 представлена в качестве примера схема конструкции предлагаемого устройства оптического пассивного затвора в соответствии с н.п.1, на фиг.3 показано устройство во время первой фазы срабатывания, фиг.4 иллюстрирует конструкцию устройства со слоем из легкоплавкого металла, являющимся верхним слоем зеркальной пленки, фиг.5 иллюстрирует конструкцию устройства со слоем из легкоплавкого металла, являющимся нижним слоем зеркальной пленки, излучение при этом попадает на зеркальную пленку сквозь прозрачную подложку, фиг.6 иллюстрирует вторую фазу срабатывания затвора при облучении зеркальной пленки сквозь прозрачную подложку; фиг.7 показывает конструкцию затвора в виде чипа на подложке. Обозначения на рисунках:Figure 1 shows an example of an optical scheme for using the proposed optical passive shutter as a radiation limiter, figure 2 shows, as an example, the design of the proposed device for an optical passive shutter in accordance with n.p. 1, figure 3 shows the device during the first actuation phase, figure 4 illustrates the design of the device with a layer of fusible metal, which is the upper layer of the mirror film, figure 5 illustrates the design of the device with a layer of fusible metal, which is the bottom they mirror film layer, wherein the radiation hits the mirror through the transparent film substrate 6 illustrates the second phase of the shutter when irradiated mirror film through the transparent substrate; Fig.7 shows the design of the shutter in the form of a chip on a substrate. Designations in the figures:

- на фиг.1: 1 - металлическая плавящаяся и испаряющаяся под действием излучения зеркальная пленка; 2 - прозрачная подложка; 3 - параболическое зеркало; 4 и 5 - входная и выходная апертуры оптического устройства с затвором, 6 - область в пленке 1,подвергаемая воздействию лазерного нагревания, g - фокусное расстояние параболического зеркала, Л - объектив,- figure 1: 1 - metal melting and evaporating under the influence of radiation, a mirror film; 2 - transparent substrate; 3 - parabolic mirror; 4 and 5 — input and output apertures of an optical device with a shutter, 6 — region in the film 1 subjected to laser heating, g — focal length of a parabolic mirror, L — lens,

- на фиг.2, 3, 4, 5, 6, и 7: 1 - металлическая зеркальная пленка; 2 - прозрачная подложка; 7 - световой пучок, образуемый параболическим зеркалом 3; 6 - область, расплавляемая световым импульсом в металлической пленке; 8 - отраженный от зеркальной пленки световой пучок; 9 - нагретая за счет температуропроводности подложки область вблизи поверхности подложки; 10 - тугоплавкий слой металлической зеркальной пленки 1 является внутренним; 11 - нагретая за счет температуропроводности область в слое 10, 12 - слой из легкоплавкого металла является наружным; 13 - нагретая область в легкоплавком слое; 10' - тугоплавкий слой зеркальной пленки является наружным; 12' - слой из легкоплавкого металла является внутренним; 14 - прожженное в пленке 1 отверстие, 15 - плоская пластина, на которой с помощью держателей 16, расположенных на периметре устройства, закреплена металлическая зеркальная пленка 1 на своей прозрачной подложке 2, 17 и 18 - отраженная от поверхностей пластины 15 доля падающего на затвор излучения, d - зазор между поверхностью пластины 15 и двухслойной структурой, состоящей из пленки 1 и подложки 2.- figure 2, 3, 4, 5, 6, and 7: 1 - metal mirror film; 2 - transparent substrate; 7 - a light beam formed by a parabolic mirror 3; 6 - region melted by a light pulse in a metal film; 8 - a light beam reflected from a mirror film; 9 is a region heated near the surface of a substrate due to thermal diffusivity of the substrate; 10 - the refractory layer of the metal mirror film 1 is internal; 11 - heated in the layer 10, due to thermal diffusivity, 12 - the layer of low-melting metal is external; 13 - heated region in the low-melting layer; 10 '- the refractory layer of the mirror film is external; 12 '- the layer of low-melting metal is internal; 14 - hole 1 burnt in the film, 15 - a flat plate on which, with the help of holders 16 located on the perimeter of the device, a metal mirror film 1 is fixed on its transparent substrate 2, 17 and 18 - the fraction of radiation incident on the surfaces of the plate 15 , d is the gap between the surface of the plate 15 and the two-layer structure consisting of a film 1 and a substrate 2.

Рассмотрим работу устройства. На фиг.1 зеркальную пленку 1 на прозрачной подложке 2 располагают в плоскости промежуточного действительного изображения сцены наблюдения, формируемого параболическим зеркалом 3. Сцена наблюдения содержит в том числе лазерный излучатель - источник повреждающего излучения и не показана на рисунке. При малой мощности лазерного излучения в плоскости промежуточного изображения формируется как изображение лазерного излучателя, так и изображение всей сцены, при помощи объектива Л это изображение воспроизводится в плоскости фотоприемной матрицы. При увеличенной мощности лазерного излучения последнее нагревает и доводит до расплавления область 6 на зеркальной пленке; отраженное от всей поверхности зеркальной пленки излучение с помощью объектива Л по прежнему формирует действительное изображение всей сцены в плоскости фотоприемника в области слева от рисунка, не показанное на рисунке, но лазерное излучение не отражается от расплавленной области и не проходит к фотоприемнику. Плавление легкоплавкого слоя зеркальной пленки и уменьшение практически до нуля в области изображения лазерного излучателя отражения от зеркальной пленки является первой фазой работы затвора. При продолжении импульса лазерного излучения материал обоих слоев пленки испаряется, как в прототипе, и в пленке образуется сквозное отверстие; возникновение прозрачного не отражающего излучения отверстия является второй фазой работы затвора. Для уменьшения инерционности затвора важно ускорить поступление тепла в пленку, что достигается использованием известного эффекта резкого - до 2-х раз - увеличения поглощения излучения при плавлении металла и использованием возможно более легкоплавкого металла, успевающего расплавиться на начальной стадии лазерного импульса, когда температура более тугоплавкого слоя металлической пленки еще недостаточно высока для прожигания в ней отверстия испарением.Consider the operation of the device. In Fig. 1, the mirror film 1 on the transparent substrate 2 is placed in the plane of the intermediate actual image of the observation scene formed by the parabolic mirror 3. The observation scene includes, among other things, a laser emitter - a source of damaging radiation and is not shown in the figure. With a low laser radiation power in the plane of the intermediate image, both the image of the laser emitter and the image of the whole scene are formed, using the lens A this image is reproduced in the plane of the photodetector. With increased laser radiation power, the latter heats and melts region 6 on the mirror film; The radiation reflected from the entire surface of the mirror film using the lens A, as before, forms a real image of the whole scene in the plane of the photodetector in the area to the left of the figure, not shown in the figure, but the laser radiation does not reflect from the molten region and does not pass to the photodetector. The melting of the fusible layer of the mirror film and a decrease to almost zero in the image region of the laser emitter of reflection from the mirror film is the first phase of shutter operation. With the continuation of the laser pulse, the material of both layers of the film evaporates, as in the prototype, and a through hole is formed in the film; the occurrence of transparent non-reflective radiation holes is the second phase of the shutter. To reduce the inertia of the shutter, it is important to accelerate the transfer of heat to the film, which is achieved by using the well-known effect of a sharp - up to 2-fold increase in radiation absorption during metal melting and the use of the most fusible metal, which has time to melt at the initial stage of the laser pulse when the temperature is more refractory the metal film is still not high enough to burn openings in it by evaporation.

Зеркальная пленка металла может быть целиком изготовлена из легкоплавкого металла, однако при этом существует ограничение на выбор металла с очень низкой температурой плавления - тонкие пленки металлов с температурой плавления менее 100°С нестабильны на стеклянных подложках. Выходом из положения является изготовление зеркального слоя из композита в виде смеси зерен легкоплавкого и тугоплавкого металлов или в виде двух слоев, как показано выше.The mirror film of the metal can be entirely made of fusible metal, however, there is a restriction on the choice of metal with a very low melting point - thin metal films with a melting point of less than 100 ° C are unstable on glass substrates. The way out is the manufacture of a mirror layer from a composite in the form of a mixture of grains of low-melting and refractory metals or in the form of two layers, as shown above.

Как показано на фиг.2, зеркальный слой 1 расположен на подложке 2; излучение 7 падает на поверхность и отражается в виде пучка 8. Если интенсивность излучения 7 превысит некоторый порог, в области падения пучка образуется расплавленная область 6, отражение от которой при определенных условиях практически отсутствует (фиг.3). Часть тепловой энергии проникнет в подложку и прогреется слой 9, его толщина примерно равна длине тепловой волны в подложке, вызванной лазерным импульсом.As shown in figure 2, the mirror layer 1 is located on the substrate 2; radiation 7 falls to the surface and is reflected in the form of a beam 8. If the intensity of radiation 7 exceeds a certain threshold, a molten region 6 is formed in the region of incidence of the beam, reflection from which is practically absent under certain conditions (Fig. 3). Part of the thermal energy penetrates the substrate and the layer 9 warms up, its thickness is approximately equal to the length of the thermal wave in the substrate caused by the laser pulse.

Нагревание зеркальной пленки до расплавления может привести к ее распаду на поверхности под действием поверхностного натяжения на отдельные капли, что нарушит зеркальность пленки. Изготовление этой пленки в виде многослойной структуры, содержащей слой легкоплавкого металла 12 и 12' и слой тугоплавкого металла 13 и 13', как показано на фиг.4 и фиг.5, причем легкоплавкий металл обладает способностью смачивать поверхность тугоплавкого, может предотвратить нарушение сплошности зеркального слоя. На фиг.4 легкоплавкий слой расположен поверх тугоплавкого, и излучение необходимо направлять на внешнюю поверхность структуры; на фиг.5 легкоплавкий слой расположен под тугоплавким, и излучение необходимо направлять на поверхность структуры сквозь подложку. В последнем случае расплав оказывается «запечатанным» внутри структуры, что способствует его выравниванию при остывании.The heating of the mirror film before melting can lead to its disintegration on the surface under the action of surface tension into individual droplets, which will violate the mirror image of the film. The manufacture of this film in the form of a multilayer structure containing a layer of low-melting metal 12 and 12 'and a layer of high-melting metal 13 and 13', as shown in Fig. 4 and Fig. 5, and the low-melting metal has the ability to wet the surface of the high-melting, can prevent the discontinuity of the mirror layer. In Fig. 4, the fusible layer is located on top of the refractory, and the radiation must be directed to the outer surface of the structure; 5, a low-melting layer is located below the high-melting layer, and radiation must be directed to the surface of the structure through the substrate. In the latter case, the melt is "sealed" inside the structure, which contributes to its alignment during cooling.

Так как слой тугоплавкого металла разрушается лазерным излучением при большей интенсивности излучения, использование только этого слоя увеличивает порог разрушения затвора; наличие легкоплавкого слоя со стороны облучения уменьшает порог срабатывания затвора и делает затвор менее инерционным. На фиг.6 показана металлическая зеркальная пленка в конце второй фазы срабатывания затвора, когда в пленке прожжено отверстие 14 и излучение свободно проходит сквозь отверстие, не отражаясь.Since the layer of refractory metal is destroyed by laser radiation at a higher radiation intensity, the use of only this layer increases the threshold for the destruction of the shutter; the presence of a fusible layer on the irradiation side reduces the shutter threshold and makes the shutter less inertial. Figure 6 shows a metal mirror film at the end of the second shutter release phase, when the hole 14 is burnt in the film and the radiation freely passes through the hole without being reflected.

На фиг.7 показано, что падающее излучение 7 частично отражается от поверхностей прозрачной пластины (Френелевское отражение), образуя лучи 17 и 18. Зазор d отдаляет от плоскости промежуточного изображения поверхности пластины, при отражении от которых падающее излучение создает при любой фазе работы затвора паразитную засветку фотоприемника. Наличие зазора приводит к расфокусировке паразитной засветки на чувствительной поверхности фотоприемника и перераспределению энергии паразитной засветки на большую область указанной поверхности, уменьшает локальную интенсивность паразитного излучения. Рассматриваемый эффект паразитной засветки может иметь место и при падении излучения на затвор со стороны зеркальной пленки, отраженное паразитное излучение пройдет при этом сквозь отверстие 14.7 shows that the incident radiation 7 partially reflects from the surfaces of the transparent plate (Fresnel reflection), forming rays 17 and 18. The gap d moves away from the plane of the intermediate image of the surface of the plate, upon reflection from which the incident radiation creates parasitic during any phase of the shutter operation photocell illumination. The presence of a gap leads to a defocusing of spurious illumination on the sensitive surface of the photodetector and a redistribution of the energy of spurious illumination to a large area of this surface, and reduces the local intensity of spurious radiation. The considered spurious illumination effect can also occur when radiation falls on the shutter from the side of the mirror film, the reflected spurious radiation will pass through the hole 14.

Рассмотрим кинетику энергетических процессов в структурах затвора.Consider the kinetics of energy processes in shutter structures.

Падающее на поверхность структуры излучение нагревает, начиная с поверхности, область зеркальной пленки, ее поглощательная способность А увеличивается Изменение поглощательной способности металлов с температурой определяется известным приближенным выражением:The radiation incident on the surface of the structure heats, starting from the surface, the region of the mirror film, its absorption capacity A increases. The change in the absorption capacity of metals with temperature is determined by the known approximate expression:

A = A 0 ( 1 + α Δ T ) = A 0 + A 1 Δ T , ( 0.1 )

Figure 00000002
A = A 0 ( one + α Δ T ) = A 0 + A one Δ T , ( 0.1 )
Figure 00000002

где А1=A0α, A0 - поглощательная способность металла до нагревания, ДГ - температура нагревания поверхности, α - термический коэффициент электросопротивления. Для большинства металлов α≈(3÷4)·10-3 град-1.where A 1 = A 0 α, A 0 is the absorption capacity of the metal before heating, DG is the surface heating temperature, α is the thermal coefficient of electrical resistance. For most metals, α≈ (3 ÷ 4) · 10 -3 deg -1 .

При плавлении металла значение коэффициента поглощения увеличивается скачком в 1,5÷2 раза и для металла в жидкой фазе может рассчитываться по (0.1), если считать A0 поглощательной способностью расплава.When the metal is melted, the absorption coefficient increases abruptly by 1.5–2 times, and for a metal in the liquid phase it can be calculated from (0.1) if A 0 is considered as the absorption capacity of the melt.

Так как зеркальная пленка помещается в области действительного промежуточного изображения оптической системы, изображение лазерного излучателя также формируется на пленке. Во время первой фазы срабатывания затвора световой сфокусированный луч 7 в месте падения на пленку металла плавит ее полностью или на часть толщины за время, составляющее долю длительности импульса, образуя расплавленную область 6. Так как подложка прозрачная, излучение может быть направлено на зеркальную пленку и сквозь подложку. После окончания процесса плавления излучение не отражается от расплавленной области; если расплавление произойдет за часть длительности лазерного излучения, оставшаяся часть импульса не достигнет чувствительного приемника. За остальное время импульса свет падает на область 6, только частично отражаясь. Таким образом, энергия импульса отраженного к фоточувствительным элементам излучения оказывается меньше энергии падающего. Время расплавления пленки, как показали наши эксперименты, составляет доли и единицы наносекунд.Since the mirror film is placed in the region of the actual intermediate image of the optical system, the image of the laser emitter is also formed on the film. During the first phase of the shutter release, the focused light beam 7 at the point of incidence on the metal film melts it completely or part of the thickness in a time that is a fraction of the pulse duration, forming the molten region 6. Since the substrate is transparent, the radiation can be directed to the mirror film and through the substrate. After the melting process is over, radiation is not reflected from the molten region; if the fusion occurs within a fraction of the duration of the laser radiation, the remainder of the pulse will not reach the sensitive receiver. For the rest of the pulse, the light falls on region 6, only partially reflected. Thus, the pulse energy reflected to the photosensitive elements of the radiation is less than the incident energy. The melting time of the film, as shown by our experiments, is fractions and units of nanoseconds.

На нагревание пленки излучением расходуется энергия импульса Е, равнаяThe pulse energy E, equal to

E = A P s t ( 0.2 )

Figure 00000003
E = A P s t ( 0.2 )
Figure 00000003

где Ps - поверхностная плотность мощности (интенсивность) падающего излучения, t - длительность импульса излучения. Как следует из (0.1), поглощательная способность пленки зависит от времени нагревания. Примем эту зависимость линейной; наибольшее значение эффект защиты имеет место в момент t0, когда А=1; среднее за время нагревания слоя значение его поглощательной способности примем равным Aср≈0,5-0,7.where P s is the surface power density (intensity) of the incident radiation, t is the duration of the radiation pulse. As follows from (0.1), the absorption capacity of the film depends on the heating time. We take this dependence linear; the greatest value is the effect of protection takes place at time t 0 , when A = 1; the average value during the heating of the layer, its absorption capacity will be equal to A cf ≈0.5-0.7.

Поглощенная энергия нагревает области 6 и 9 пленки и подложки; если температуры этих областей в первом приближении можно принять равными, то температура поверхности зеркальной пленки увеличивается наThe absorbed energy heats the areas 6 and 9 of the film and the substrate; if the temperatures of these regions can be taken equal to a first approximation, then the surface temperature of the mirror film increases by

A с р P s t 0 γ 1 d 1 Δ T + γ П l Т Δ T + d 1 ρ 1 L П Л ( 0.3 )

Figure 00000004
A from R P s t 0 γ one d one Δ T + γ P l T Δ T + d one ρ one L P L ( 0.3 )
Figure 00000004

где γ1 и γП - объемные теплоемкости зеркальной пленки и подложки, соответственно, d1 и lT - толщина зеркальной пленки и длина тепловой волны в подложке соответственно, ρ1 и LПЛ - плотность и теплота плавления зеркальной пленки соответственно; Аср≈0,5-0,7. Длина тепловой волны определяется выражениемwhere γ 1 and γ P are the volumetric heat capacities of the mirror film and the substrate, respectively, d 1 and l T are the thickness of the mirror film and the heat wavelength in the substrate, respectively, ρ 1 and L PL are the density and heat of fusion of the mirror film, respectively; And cf ≈0.5-0.7. The heat wavelength is determined by the expression

l Т a П t , ( 0.4 )

Figure 00000005
l T a P t , ( 0.4 )
Figure 00000005

где a П - температуропроводность подложки.where a P is the thermal diffusivity of the substrate.

Полученное выражение качественно свидетельствует, что поглощенное излучение (левая часть уравнения) расходуется на нагревание зеркальной пленки до температуры плавления (первое слагаемое правой части), на нагревание подложки (второе слагаемое) и на плавление зеркальной пленки (третье слагаемое). Оценки показывают, что наибольшую величину имеет третий член.The obtained expression qualitatively indicates that the absorbed radiation (left side of the equation) is spent on heating the mirror film to the melting temperature (first term of the right side), on heating the substrate (second term) and on melting the mirror film (third term). Estimates show that the third term has the largest value.

К приемнику излучения пройдет только доля R падающего излучения:Only the fraction R of incident radiation will pass to the radiation receiver:

R = R 0 A 0 α Δ T , ( 0.5 )

Figure 00000006
R = R 0 - A 0 α Δ T , ( 0.5 )
Figure 00000006

где R0 - коэффициент отражения пленки до начала облучения поверхности. В момент наибольшей защиты t=t0, R=0.where R 0 is the reflection coefficient of the film before surface irradiation. At the moment of greatest protection, t = t 0 , R = 0.

Во время второй фазы работы затвора, как и в случае прототипа, нулевое отражение от зеркальной пленки имеет место при удалении вещества из облучаемой области, в основном, за счет испарения при температурах, превышающих температуру кипения пленки при нормальных условиях. Если использовать только тугоплавкие металлы для зеркального слоя, удаляемые путем испарения, то оценить время и пороговую интенсивность срабатывания затвора можно, подставив в уравнение (0.3) Lисп вместо LПЛ. Для металлов теплота испарения Lисп много больше, чем теплота плавления, и оценка показывает, что время t0 достижения нулевого отражения при использовании плавления пленки (то есть длительность первой фазы работы затвора) много меньше, чем время прожигания отверстия за счет локального испарения пленки (длительность второй фазы); интенсивность излучения, необходимая для второй фазы работы затвора также много больше, то есть, выше порог срабатывания затвора, не использующего легкоплавкие элементы.During the second phase of shutter operation, as in the case of the prototype, zero reflection from the mirror film occurs when the substance is removed from the irradiated region, mainly due to evaporation at temperatures higher than the boiling point of the film under normal conditions. If we use only refractory metals for the specular layer, removed by evaporation, we can estimate the time and threshold intensity of the shutter release by substituting L isp in place of equation (0.3) instead of L PL . For metals, the heat of evaporation L isp much greater than the heat of fusion and the evaluation shows that the time t 0 achieve zero reflectance by using a film melting (i.e., the duration of the first phase of the shutter) is much less than the time of burning the hole due to local evaporation film ( duration of the second phase); the radiation intensity required for the second phase of shutter operation is also much greater, that is, higher than the threshold of the shutter, not using fusible elements.

Диапазон интенсивностей повреждающего фотоприемники лазерного излучения, при которых затвор может функционировать многократно, расположен между интенсивностью порога срабатывания (нижняя граница диапазона) и той интенсивностью, при которой зеркальная пленка при нагревании излучением теряет сплошность и после остывания ее не восстанавливает (верхняя граница диапазона многократного действия). Если интенсивность излучения превысила порог наступления абляции, в зеркальной пленке и подложке образуется прозрачное для излучения отверстие, через которое все последующие импульсы повреждающего излучения проходят, не отражаясь к фотоприемнику, как на фиг.6, и фотоприемник все-таки не повреждается. Данная область интенсивности соответствует однократному функционированию оптического затвора, как в прототипе. Однако в сравнении с прототипом, который функционирует за счет абляции зеркальной пленки, порог срабатывания затвора по изобретению меньше, а быстродействие выше на порядок величины.The range of intensities of the laser radiation damaging the photodetectors, at which the shutter can operate repeatedly, is located between the intensity of the threshold (the lower limit of the range) and the intensity at which the mirror film loses continuity when it is heated by radiation and does not recover after cooling (upper limit of the multiple-action range) . If the radiation intensity exceeded the threshold for the onset of ablation, a hole transparent to radiation is formed in the mirror film and substrate through which all subsequent damaging radiation pulses pass without being reflected to the photodetector, as in Fig. 6, and the photodetector is still not damaged. This intensity range corresponds to a single operation of the optical shutter, as in the prototype. However, in comparison with the prototype, which operates due to the ablation of the mirror film, the threshold for the shutter according to the invention is less, and the speed is higher by an order of magnitude.

Рассмотрим роль зазора между металлической пленкой на прозрачной подложке и опорной пластиной (фиг.7).Consider the role of the gap between the metal film on a transparent substrate and the support plate (Fig.7).

При размещении затвора в небольшом объеме чипа отрицательную роль могут играть расположенные вблизи плоскости промежуточного изображения отражающие поверхности вспомогательных конструкционных деталей, отраженное от них паразитное излучение может быть сфокусировано объективом на поверхность приемника и приводить к его разрушению, так как не управляется затвором.When placing the shutter in a small volume of the chip, the reflective surfaces of auxiliary structural parts located near the plane of the intermediate image can play a negative role, the spurious radiation reflected from them can be focused by the lens onto the surface of the receiver and lead to its destruction, since it is not controlled by the shutter.

Из рассмотрения фиг.7 видно, что часть падающего излучения 7 может отразиться от поверхностей пластины 15, на которой закреплена тонкопленочная структура, образуя лучи 17 и 18. Из фиг.1 видно, что эти лучи могут объективом сфокусироваться на чувствительную поверхность фотоприемника. Рассматриваемая доля излучения попадает в фотоприемник всегда, независимо от фазы работы затвора. Повреждения, возникающие под действием этого отраженного излучения в фотоприемнике матричного типа, содержащем множество малых фоточувствительных пикселей, можно исключить, если добиться перераспределения энергии излучения между многими пикселями за счет дефокусирования падающего на матрицу потока излучения, отраженного от окна. Степень дефокусирования увеличивается с удалением отражающей поверхности пластины от плоскости промежуточного изображения (то есть, от поверхности зеркальной пленки 1), определяется величиной d зазора. На поверхностях пластины возникают фиктивные источники отраженного излучения в виде световых кружков, которые объективом изображаются в плоскость, отстоящую от плоскости второго действительного изображения на расстояние, которое определяется по формуле продольного увеличенияFrom a consideration of FIG. 7, it can be seen that part of the incident radiation 7 can be reflected from the surfaces of the plate 15 on which the thin-film structure is fixed, forming rays 17 and 18. From FIG. 1 it can be seen that these rays can be focused by the lens onto the sensitive surface of the photodetector. The considered fraction of radiation always enters the photodetector, regardless of the phase of shutter operation. Damage arising from this reflected radiation in a matrix-type photodetector containing many small photosensitive pixels can be eliminated if redistribution of radiation energy between many pixels is achieved by defocusing the radiation flux reflected on the matrix reflected from the window. The degree of defocusing increases with the distance of the reflecting surface of the plate from the plane of the intermediate image (that is, from the surface of the mirror film 1), is determined by the value d of the gap. On the surface of the plate there are fictitious sources of reflected radiation in the form of light circles, which the lens depicts in a plane that is spaced apart from the plane of the second real image, which is determined by the longitudinal magnification formula

Δ = M 2 d ( 0.6 )

Figure 00000007
Δ = M 2 d ( 0.6 )
Figure 00000007

где М - линейное поперечное увеличение второго действительного изображения относительно первого изображения; диаметр кружка равенwhere M is a linear transverse increase in the second real image relative to the first image; the diameter of the circle is

a 1 = d D 1 f 1 ( 0.7 )

Figure 00000008
a one = d D one f one ( 0.7 )
Figure 00000008

где D1 - диаметр апертуры пучка излучения на первом по ходу луча объективе, f' - фокусное расстояние этого объектива. Для упрощения будем рассматривать эффекты, вызванные отражением от ближайшей к зеркальной пленке стороны пластины.where D 1 is the diameter of the aperture of the radiation beam on the first objective along the beam, f 'is the focal length of this lens. For simplicity, we consider effects caused by reflection from the side of the plate closest to the mirror film.

Каждой точке этого изображения кружка в плоскости второго действительного изображения соответствует кружок дефокусирования, диаметр которого, если пренебречь аберрациями объектива, равенEach point of this image in the circle in the plane of the second real image corresponds to a defocusing circle, the diameter of which, if we neglect the aberrations of the lens, is

a 2 = M 2 d D 2 f 2 ( 0.8 )

Figure 00000009
a 2 = M 2 d D 2 f 2 ( 0.8 )
Figure 00000009

где D2 - диаметр апертуры объектива Об-2, f 2

Figure 00000010
- его фокусное расстояние.where D 2 is the diameter of the aperture of the lens Ob-2, f 2
Figure 00000010
- its focal length.

Диаметр кружка в плоскости второго действительного изображения (в плоскости пикселей фотоматрицы), обусловленный всеми точками освещенного кружка на поверхности пластины, равенThe diameter of the circle in the plane of the second real image (in the pixel plane of the photomatrix), due to all points of the illuminated circle on the surface of the plate, is

a 0 a 2 + M a 1 ( 0.9 )

Figure 00000011
a 0 a 2 + M a one ( 0.9 )
Figure 00000011

Каждая точка первого действительного изображения изображается в плоскости второго действительного изображения дифракционным кружком, имеющим диаметрEach point of the first real image is depicted in the plane of the second real image by a diffraction circle having a diameter

a d λ f 2 ( M + 1 ) D 2 , ( 0.10 )

Figure 00000012
a d λ f 2 ( M + one ) D 2 , ( 0.10 )
Figure 00000012

где λ - длина волны излучения. Выразим из (0.7), (0.8) и (0.9) значение d:where λ is the radiation wavelength. We express from (0.7), (0.8) and (0.9) the value of d:

d = a 0 M ( M D 2 / f 2 + D 1 / f 1 . ( 0.11 )

Figure 00000013
d = a 0 M ( M D 2 / f 2 + D one / f one . ( 0.11 )
Figure 00000013

Упростим последнее выражение, считая оставшиеся в скобке дроби равными друг другу, получимSimplify the last expression, considering the fractions remaining in the bracket equal to each other, we obtain

d a 0 a d λ 1 M ( M + 1 ) 2 . ( 0.12 )

Figure 00000014
d a 0 a d λ one M ( M + one ) 2 . ( 0.12 )
Figure 00000014

При конкретных расчетах необходимо задаваться величиной а 0 из условий лучевой прочности чувствительной поверхности приемника излучения. Интенсивность излучения в плоскости второго изображения (на поверхности матрицы чувствительных элементов приемника излучения) в кружке диаметром a0, вызванная отражением падающего излучения от поверхности пластины, меньше интенсивности в пятне рассеяния в число раз, равное ( a 0 a d ) 2 / R П

Figure 00000015
, где RП - энергетический коэффициент отражения от поверхности пластины. В качестве примера проведем расчет при условии, чтобы интенсивность в пределах кружка области засветки поверхности приемника излучением, отраженным от поверхности пластины, была бы в 10 3 = ( a 0 a d ) 2 / R П
Figure 00000016
раз меньше, чем в кружке рассеяния второго объектива.In specific calculations, it is necessary to set the value of a 0 from the radiation strength conditions of the sensitive surface of the radiation receiver. The radiation intensity in the plane of the second image (on the surface of the matrix of the sensitive elements of the radiation receiver) in a circle of diameter a 0 , caused by the reflection of the incident radiation from the surface of the plate, is less than the intensity in the scattering spot by a factor equal to ( a 0 a d ) 2 / R P
Figure 00000015
where R P - energy reflection coefficient from the surface of the plate. As an example, we will calculate under the condition that the intensity within the circle of the illumination region of the receiver surface by radiation reflected from the plate surface is in 10 3 = ( a 0 a d ) 2 / R P
Figure 00000016
times less than in the scattering circle of the second lens.

Коэффициент отражения непросветленной поверхности стекла RП=0,04; примем a d=15 мкм на длине волны λ=1,06 мкм. Считая М=1, в соответствии с (0.12) получим d=356 мкм.The reflection coefficient of the unenlightened glass surface R P = 0,04; take a d = 15 μm at a wavelength of λ = 1.06 μm. Assuming M = 1, in accordance with (0.12) we obtain d = 356 μm.

Для реализации изобретения необходимо использовать для зеркальной пленки в качестве ее легкоплавкой составляющей металлы типа висмута, кадмия, калия, натрия, имеющие малую теплоту плавления и низкую температуру плавления, а в качестве тугоплавкой - магний, алюминий, вольфрам, рений. Использование самых тугоплавких металлов позволит расширить диапазон интенсивностей падающего излучения, при которых затвор функционирует многократно.For the implementation of the invention, it is necessary to use metals such as bismuth, cadmium, potassium, sodium having a low heat of fusion and low melting point as a low-melting component for its mirror film, and magnesium, aluminum, tungsten, and rhenium as refractory. Using the most refractory metals will allow us to expand the range of incident radiation intensities at which the shutter operates repeatedly.

Расчеты показывают, что при использовании металлической зеркальной пленки из легкоплавкого металла висмута толщиной 0,1 мкм при интенсивности падающего излучения 1011 Вт/м2 время срабатывания затвора менее 1 нс, что существенно лучше, чем в случаях аналога и прототипа.Calculations show that when using a metal mirror film of fusible bismuth metal with a thickness of 0.1 μm with an incident radiation intensity of 10 11 W / m 2 the shutter response time is less than 1 ns, which is significantly better than in the cases of analog and prototype.

Принцип использования оптического затвора такой же, как в прототипе (фоточувствительные элементы оптоэлектронного устройства установлены в отраженном от зеркальной пленки световом потоке).The principle of using an optical shutter is the same as in the prototype (the photosensitive elements of the optoelectronic device are installed in the light flux reflected from the mirror film).

Для изготовления устройства могут быть, например, применены следующие материалы: подложка - стеклянная; металлическая пленка 1 на подложке может быть двухслойной и состоять из слоев висмута (или натрия) и вольфрама, вещество подложки 2 должны быть с малым значением температуропроводности, например, из пластика или двуокиси кремния. Изготовление устройства может быть произведено технологическими приемами вакуумного производства.For the manufacture of the device, for example, the following materials can be applied: substrate - glass; the metal film 1 on the substrate can be two-layer and consist of layers of bismuth (or sodium) and tungsten, the substance of the substrate 2 must be with a low thermal diffusivity, for example, plastic or silicon dioxide. The manufacture of the device can be carried out by technological methods of vacuum production.

Таким образом, показано, что отличительные особенности изобретения позволяют решить поставленные задачи.Thus, it is shown that the distinctive features of the invention allow to solve the tasks.

Оптический пассивный затвор может найти применение в оптоэлектронике в качестве оптического предохранителя, предохраняющего от возможных лучевых повреждений фотоприемные устройства.An optical passive shutter can be used in optoelectronics as an optical fuse that protects photodetector devices from possible radiation damage.

Технический результат изобретения состоит в создании оптического затвора - ограничителя излучений с наносекундной инерционностью, работающего в широком спектральном диапазоне и имеющего пониженный порог срабатывания.The technical result of the invention is to create an optical shutter - a radiation limiter with nanosecond inertia, operating in a wide spectral range and having a low threshold.

Claims (1)

Оптический пассивный затвор, содержащий испаряющуюся сфокусированным излучением металлическую пленку на прозрачной подложке, механически закрепляемую в оптической системе приемника излучения в плоскости промежуточного действительного изображения, формируемого объективом, отличающийся тем, что упомянутая пленка закреплена по своему периметру над прозрачной подложкой с зазором, превышающим глубину резкости формирования объективом промежуточного изображения. An optical passive shutter containing a metal film evaporated by focused radiation on a transparent substrate, mechanically fixed in the optical system of the radiation receiver in the plane of the intermediate real image formed by the lens, characterized in that said film is fixed around its perimeter above the transparent substrate with a gap exceeding the depth of field of formation intermediate image lens.
RU2012104098/28A 2012-02-06 2012-02-06 Optical passive shutter RU2509323C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012104098/28A RU2509323C2 (en) 2012-02-06 2012-02-06 Optical passive shutter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012104098/28A RU2509323C2 (en) 2012-02-06 2012-02-06 Optical passive shutter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012104098A RU2012104098A (en) 2013-08-20
RU2509323C2 true RU2509323C2 (en) 2014-03-10

Family

ID=49162342

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012104098/28A RU2509323C2 (en) 2012-02-06 2012-02-06 Optical passive shutter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2509323C2 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5291341A (en) * 1993-06-29 1994-03-01 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Laser attenuation device with sacrificial mirror
US5739947A (en) * 1985-03-25 1998-04-14 Wood; Gary L. Nonlinear optical power limiter using self-trapping of light
WO2007042913A2 (en) * 2005-10-11 2007-04-19 Kilolambda Technologies Ltd. Optical power limiting and switching combined device and a method for protecting imaging and non-imaging sensors

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5739947A (en) * 1985-03-25 1998-04-14 Wood; Gary L. Nonlinear optical power limiter using self-trapping of light
US5291341A (en) * 1993-06-29 1994-03-01 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Laser attenuation device with sacrificial mirror
WO2007042913A2 (en) * 2005-10-11 2007-04-19 Kilolambda Technologies Ltd. Optical power limiting and switching combined device and a method for protecting imaging and non-imaging sensors

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Шлишевский В.Б. ПЛЕНОЧНЫЕ ПАССИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЗАТВОРЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПРИЕМНИКОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОТ ОСЛЕПЛЕНИЯ. Оптический журнал, выпуск 6, т.78, июнь, 2011, с.39-46. *
Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Шлишевский В.Б. ПЛЕНОЧНЫЕ ПАССИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЗАТВОРЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПРИЕМНИКОВ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОТ ОСЛЕПЛЕНИЯ. Оптический журнал, выпуск 6, т.78, июнь, 2011, с.39-46. Шергин С.Л. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ СОЗДАНИЯ ТЕРМООПТИЧЕСКИХ ЗАТВОРОВ С ТОНКОПЛЕНОЧНЫМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ СТРУКТУРАМИ: Автореферат, 2009. *
Шергин С.Л. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ СОЗДАНИЯ ТЕРМООПТИЧЕСКИХ ЗАТВОРОВ С ТОНКОПЛЕНОЧНЫМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ СТРУКТУРАМИ: Автореферат, 2009. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012104098A (en) 2013-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Domke et al. Ultra-fast movies of thin-film laser ablation
Domke et al. Ultrafast pump-probe microscopy with high temporal dynamic range
Yoo et al. Explosive change in crater properties during high power nanosecond laser ablation of silicon
US4719342A (en) Electromagnetic energy diversion device wherein pellicle oblates responsive to very strong power density
Trtica et al. Periodic surface structures on crystalline silicon created by 532 nm picosecond Nd: YAG laser pulses
Rapp et al. Smart beam shaping for the deposition of solid polymeric material by laser forward transfer
JP2011528504A (en) Thin sacrificial masking film protecting semiconductors from pulsed laser processing
KR20100062934A (en) Method of marking or inscribing a workpiece
US20090207478A1 (en) Optical power limiting and switching combined device and a method for protecting imaging and non-imaging sensors
Alvarez‐Alegria et al. Nanosecond laser switching of phase‐change random metasurfaces with tunable ON‐state
US3982206A (en) System for protection from laser radiation
US5017769A (en) Surface particulate laser power limiter which generates a plasma
EP0273927A1 (en) Laser hazard protector.
RU2509323C2 (en) Optical passive shutter
Rapp et al. Selective femtosecond laser structuring of dielectric thin films with different band gaps: a time-resolved study of ablation mechanisms
Rapp et al. The combination of direct and confined laser ablation mechanisms for the selective structuring of thin silicon nitride layers
Hosokawa et al. Dynamics and mechanism of discrete etching of organic materials by femtosecond laser excitation
US8710496B2 (en) Organic light emitting diode device and fabrication method thereof
Kawamura et al. New adjustment technique for time coincidence of femtosecond laser pulses using third harmonic generation in air and its application to holograph encoding system
US20120006796A1 (en) Method and system for high power reflective optical elements
Jacques et al. Laser-flash photographic studies of Er: YAG laser ablation of water
Grigorev Laser processing of transparent semiconductor materials
RU2555211C1 (en) Optical passive shutter
Stewart et al. The effect of laser pulse length upon laser-induced forward transfer using a triazene polymer as a dynamic release layer
Domke et al. Pump-probe investigations on the laser ablation of CIS thin film solar cells

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190207