RU2509323C2 - Optical passive shutter - Google Patents
Optical passive shutter Download PDFInfo
- 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
Links
Images
Landscapes
- Laminated Bodies (AREA)
- Polarising Elements (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
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:
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
- 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
- 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
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
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
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-
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
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
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:
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
На нагревание пленки излучением расходуется энергия импульса Е, равнаяThe pulse energy E, equal to
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
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
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:
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
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
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
где D2 - диаметр апертуры объектива Об-2,
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
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
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:
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
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
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
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)
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)
| 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 |
-
2012
- 2012-02-06 RU RU2012104098/28A patent/RU2509323C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| 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)
| 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 |