RU2495467C2 - Method of limiting intensity of laser radiation - Google Patents

Method of limiting intensity of laser radiation Download PDF

Info

Publication number
RU2495467C2
RU2495467C2 RU2011131906/28A RU2011131906A RU2495467C2 RU 2495467 C2 RU2495467 C2 RU 2495467C2 RU 2011131906/28 A RU2011131906/28 A RU 2011131906/28A RU 2011131906 A RU2011131906 A RU 2011131906A RU 2495467 C2 RU2495467 C2 RU 2495467C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser radiation
limiter
radiation
pulse
limiting
Prior art date
Application number
RU2011131906/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011131906A (en
Inventor
Валерий Михайлович Волынкин
Инна Михайловна Белоусова
Дмитрий Александрович Виденичев
Иван Михайлович Кисляков
Татьяна Дмитриевна Муравьева
Андрей Михайлович Стародубцев
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова"
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 Открытое акционерное общество "Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова" filed Critical Открытое акционерное общество "Государственный оптический институт им. С.И.Вавилова"
Priority to RU2011131906/28A priority Critical patent/RU2495467C2/en
Publication of RU2011131906A publication Critical patent/RU2011131906A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2495467C2 publication Critical patent/RU2495467C2/en

Links

Landscapes

  • Lasers (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to a method of limiting powerful pulse-periodic laser radiation and can be used to protect visual organs and sensitive radiation detectors from the destructive action of high-intensity incident radiation. The method is implemented by a limiter based on suspensions of nanoparticles having nonlinear optical properties, in transparent liquid matrices containing a surfactant. Pulse-periodic laser radiation is limited with repetition frequency of up to 10 Hz, wherein the ratio of viscosity (η) to molecular mass (M) of the liquid component of the limiter is defined by the empirical formula γ = Kη/M for values 1 < γ < 10 and K=10 D/P.
EFFECT: using a method of limiting laser radiation without change in optical parameters of the limiter under the effect of powerful laser radiation.

Description

Изобретение относится к ограничителям интенсивности импульсного и импульсно-периодического лазерного излучения с частотой повторения до 10 Гц и может найти применение для защиты органов зрения и чувствительных приемников излучения от разрушающего действия высокоинтенсивного падающего излучения.The invention relates to intensity limiters for pulsed and repetitively pulsed laser radiation with a repetition rate of up to 10 Hz and can be used to protect organs of vision and sensitive radiation detectors from the damaging effects of high-intensity incident radiation.

Ограничители лазерного излучения отличаются как конструкцией прибора, так и рабочим материалом, который состоит из прозрачной матрицы и активных компонентов, представляющих собой наночастицы, обладающие нелинейно -оптическими свойствами [1, 2].Laser radiation limiters differ both in the design of the device and in the working material, which consists of a transparent matrix and active components, which are nanoparticles with nonlinear optical properties [1, 2].

Современные требования к рабочим материалам ограничителей (лимитерам) интенсивности мощного лазерного излучения заключаются в следующем:Modern requirements for the working materials of the limiters (limiters) of the intensity of high-power laser radiation are as follows:

- Высокое начальное пропускание излучения Т (λ) и широкополостность линейного пропускания ограничителя в рабочей области спектра, что обеспечивает нейтральное окрашивание поля зрения оптических приборов.- High initial transmittance of radiation T (λ) and broad-band linear transmission of the limiter in the working region of the spectrum, which provides neutral coloring of the field of view of optical devices.

- Высокая скорость включения лимитера, так называемое быстродействие.- High speed limiter, the so-called speed.

- Высокая степень (кратность) ослабления интенсивности входного излучения (ограничения), под которым понимается отношение интенсивности падающего излучения к интенсивности излучения, прошедшего через ограничительное устройство.- A high degree (multiplicity) of attenuation of the intensity of the input radiation (limitation), which is understood as the ratio of the intensity of the incident radiation to the intensity of the radiation transmitted through the limiting device.

Указанным требованиям соответствуют лимитеры, активными компонентами которых являются углеродные наночастицы, многослойные и однослойные нанотрубки, углеродные нановолокна, наночастицы золота и серебра, «наноструктуры полупроводник-металл и диэлектрик-металл» [1].The specified requirements are met by limiters whose active components are carbon nanoparticles, multilayer and single-walled nanotubes, carbon nanofibres, gold and silver nanoparticles, “semiconductor-metal and dielectric-metal nanostructures” [1].

Активные компоненты рабочего материала могут быть заключены в твердотельную прозрачную матрицу, а также представлять собой суспензию наночастиц в различных растворителях.The active components of the working material can be enclosed in a solid-state transparent matrix, as well as a suspension of nanoparticles in various solvents.

Основными механизмами ограничения мощного лазерного излучения являются нелинейное рассеяние, многофотонное поглощение, RSA (обратимое насыщенное поглощение) и другие оптические нелинейные процессы [1].The main mechanisms for limiting high-power laser radiation are nonlinear scattering, multiphoton absorption, RSA (reversible saturated absorption), and other optical nonlinear processes [1].

Так, известны лимитеры, созданные на основе твердотельных полимерных матриц, содержащих наночастицы золота и серебра [2]. Такие твердотельные устройства наряду с удобством эксплуатации отвечают основным критериям лимитеров, однако имеют существенные недостатки. К таким недостаткам относится низкая лучевая прочность полимерной матрицы, в которой распределены наночастицы, что, по сути, определяет проблематичность их использования в импульсно-периодическом режиме. Так, в [3] отмечается, что твердотельные «лимитеры», в которых не работает механизм «залечивания» зоны лазерного воздействия, менее долговечны, чем жидкостные.Thus, limiters are known based on solid-state polymer matrices containing gold and silver nanoparticles [2]. Such solid-state devices along with ease of use meet the basic criteria of limiters, but they have significant disadvantages. Such disadvantages include the low radiation strength of the polymer matrix in which the nanoparticles are distributed, which, in essence, determines the difficulty of using them in a pulse-periodic mode. So, in [3] it is noted that solid-state “limiters”, in which the mechanism of “healing” of the laser exposure zone does not work, are less durable than liquid ones.

Ограничители лазерного излучения, в которых рабочим материалом является суспензия активного компонента в различных растворителях, характеризуются [4-6] тем, что разрушение рабочего материала, в отличие от твердотельного, является обратимым процессом, и наряду с высокими показателями функционирования лимитера могли бы иметь преимущества перед твердотельными лимитерами.Laser radiation limiters, in which the working material is a suspension of the active component in various solvents, are characterized [4-6] by the fact that the destruction of the working material, in contrast to solid-state, is a reversible process, and along with high performance of the limiter could have advantages over solid state limiters.

Однако жидкостные лимитеры имеют недостатки, характеризующиеся просветлением материала в световом канале по ходу лазерного луча с постепенным восстановлением исходного состояния суспензии [1]. Просветление нелинейно -оптической среды может быть связано с выводом (или сублимацией) наночастиц из области распространения лазерного луча. Для нелинейно -оптической среды, помещенной в конфокальную систему, допустимо использовать жидкостные лимитеры в импульсно-периодическом режиме в том случае, если частота повторения импульсов не превосходит 3 Гц. Такое поведение жидкостных лимитеров резко ограничивает их использование в импульсно-периодическом режиме лазерного излучения.However, liquid limiters have drawbacks characterized by the bleaching of the material in the light channel along the laser beam with a gradual restoration of the initial state of the suspension [1]. Enlightenment of a nonlinear optical medium can be associated with the removal (or sublimation) of nanoparticles from the laser beam propagation region. For a nonlinear optical medium placed in a confocal system, it is permissible to use liquid limiters in a pulse-periodic mode if the pulse repetition rate does not exceed 3 Hz. Such behavior of liquid limiters sharply limits their use in a pulse-periodic regime of laser radiation.

Имеются данные [7] относительно ограничения мощного лазерного излучения суспензией наночастиц аморфного углерода, помещенного в вязкую полимерную матрицу на основе эпоксидных смол или водный желатиновый гель. Авторы отмечают возможность использования лимитеров в импульсно-периодическом режиме. Однако ограничение лазерного излучения мощностью 100 MW/cm такими системами возможно при частоте повторения лазерного импульса 0.5-2.0 Гц.There is evidence [7] regarding the limitation of high-power laser radiation by a suspension of amorphous carbon nanoparticles placed in a viscous polymer matrix based on epoxy resins or aqueous gelatin gel. The authors note the possibility of using limiters in a pulse-periodic mode. However, the limitation of laser radiation with a power of 100 MW / cm to such systems is possible at a laser pulse repetition rate of 0.5-2.0 Hz.

Наиболее близким по техническому решению является способ ограничения мощного лазерного излучения, предложенного в [6]. В качестве матрицы используется дистиллированная вода или органический растворитель. Высокодисперсная углеродная среда представляет собой многослойные углеродные нанотрубки. Для придания устойчивости суспензии может использоваться поверхностно-активное соединение. Данное техническое решение обеспечивает высокое начальное пропускание излучения Т (λ) и широкополостность линейного пропускания ограничителя в рабочей области спектра, высокую скорость включения лимитера (быстродействие) и высокую степень ослабления интенсивности входного лазерного излучения.The closest in technical solution is the method of limiting high-power laser radiation proposed in [6]. As a matrix, distilled water or an organic solvent is used. The finely dispersed carbon medium is a multilayer carbon nanotube. A surfactant may be used to impart stability to the suspension. This technical solution provides a high initial transmittance of the radiation T (λ) and a broadband linear transmission of the limiter in the working region of the spectrum, a high switching speed of the limiter (speed) and a high degree of attenuation of the input laser radiation intensity.

Однако недостатком такого лимитера является невозможность использования его для ограничения мощного лазерного излучения в импульсно-периодическом режиме [1] при частотах повторения более 3 Гц.However, the disadvantage of such a limiter is the impossibility of using it to limit powerful laser radiation in a pulse-periodic mode [1] at repetition frequencies of more than 3 Hz.

Целью настоящего изобретения является возможность ограничения мощного лазерного излучения на основе суспензии наночастиц, обладающих нелинейно-оптическими свойствами в импульсно-периодическом режиме до 10 Гц.The aim of the present invention is the possibility of limiting high-power laser radiation based on a suspension of nanoparticles having nonlinear optical properties in a pulse-periodic mode to 10 Hz.

Поставленная цель достигается тем, что в заявляемом способе ограничения мощного лазерного излучения в качестве жидкостной компоненты лимитера используются полимеры, выбранные из ряда сложноорганических соединений, сложных эфиров, ароматических углеводородов, высших спиртов, высших алканов, а также их смесей. В заявляемом способе ограничения мощного лазерного излучения в качестве активного компонента лимитера могут использоваться углеродные наночастицы, а именно однослойные и многослойные нанотрубки, углеродные нановолокна, частицы аморфного углерода, астралены, наношеллы, и другие полиэдральные многослойные углеродные наноструктуры фуллероидного типа.This goal is achieved by the fact that in the claimed method of limiting high-power laser radiation, the polymers selected from a number of complex compounds, esters, aromatic hydrocarbons, higher alcohols, higher alkanes, and also mixtures thereof are used as the liquid component of the limiter. In the inventive method for limiting high-power laser radiation, carbon nanoparticles can be used as an active component of a limiter, namely, single-layer and multilayer nanotubes, carbon nanofibers, amorphous carbon particles, astralen, nanoshells, and other polyhedral multilayer carbon nanostructures of fulleroid type.

Отличительной чертой жидких сред лимитеров по заявляемому способу ограничения интенсивности излучения является соответствие величины γ, определяемой следующей эмпирической формулой, определенному диапазону:A distinctive feature of the liquid media of the limiters according to the claimed method of limiting the radiation intensity is the correspondence of the value of γ, determined by the following empirical formula, to a certain range:

γ=Кη/М,γ = Kη / M,

где К - коэффициент пропорциональности, η - вязкость жидкостной компоненты лимитера, М - молекулярная масса жидкостной компоненты лимитера.where K is the coefficient of proportionality, η is the viscosity of the liquid component of the limiter, M is the molecular weight of the liquid component of the limiter.

Использование лимитера в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения до 10 Гц без изменения нелинейно-оптических свойств рабочего материала лимитера осуществляется в диапазоне η от 1 до 10. При этом возможные величины вязкости η и молекулярной массы жидкостной компоненты лимитера М демонстрируют примеры, приведенные в таблице 1:The use of the limiter in a pulse-periodic mode with a repetition rate of up to 10 Hz without changing the nonlinear optical properties of the working material of the limiter is carried out in the range η from 1 to 10. In this case, the possible values of viscosity η and molecular weight of the liquid component of the limiter M are shown in the examples given in the table one:

Таблица 1. Примеры свойств растворителей для лимитеров, обладающих нелинейно-оптическими свойствами в импульсно-периодическом режиме до 10 Гц.Table 1. Examples of the properties of solvents for limiters with nonlinear optical properties in a pulse-periodic mode up to 10 Hz.

(К=10 Да/Пз).(K = 10 Da / Pz).

γγ η, сПзη, cPz М, ДаM Yes 1one 20twenty 2000020000 22 20twenty 1000010,000 4four 20twenty 50005000 55 100one hundred 2000020000 1010 20twenty 20002000 1010 100one hundred 1000010,000

При значениях молекулярной массы и вязкости жидкостной компоненты лимитера, соотношение между которыми приводит к величинам γ, выходящим за диапазон 1-10, наблюдаются нежелательные изменения свойств лимитера.At molecular weight and viscosity values of the liquid component of the limiter, the ratio between which leads to values of γ that fall outside the range of 1-10, undesirable changes in the properties of the limiter are observed.

Так, в диапазоне молекулярных масс М жидкостной компоненты лимитера 20000-2000 Да:So, in the range of molecular masses M of the liquid component of the limiter 20000-2000 Yes:

- при М=20000 и η<20 сПз наблюдается выпадение осадка наночастиц и ослабление нелинейно-оптических свойств лимитера;- at M = 20,000 and η <20 cPs, a precipitation of nanoparticles and a weakening of the nonlinear optical properties of the limiter are observed;

- при М=2000 и η>20 газообразные продукты воздействия мощного лазерного излучения на материал лимитера не успевают диссипировать, вследствие чего время восстановления оптических свойств лимитера становится слишком большим, что не позволяет ему ограничивать лазерное излучение в импульсно-периодическом режиме до 10 Гц.- at M = 2000 and η> 20, the gaseous products of the action of powerful laser radiation on the material of the limiter do not have time to dissipate, as a result of which the recovery time of the optical properties of the limiter becomes too long, which does not allow it to limit the laser radiation in a pulse-periodic mode to 10 Hz.

ЛитератураLiterature

1. И.М.Белоусова, О.Б.Данилов, А.И.Сидоров. Оптический журнал, т.76, №4, 2009, с.71.1. I.M. Belousova, O. B. Danilov, A. I. Sidorov. Optical Journal, vol. 76, No. 4, 2009, p. 71.

2. S.Dengler, G.Riit, B.Eberle, Proc. of SPIE. V.7481, 74810T-1.2. S. Dengler, G. Riit, B. Eberle, Proc. of SPIE. V.7481, 74810T-1.

3. Т.Н.Копылова, А.П.Луговицкий и др. Квантовая электроника, т.36, №3, 2006, с.274.3. T.N. Kopylova, A.P. Lugovitsky et al. Quantum Electronics, vol. 36, No. 3, 2006, p. 274.

4. Пат. РФ №2238577, Нелинейно-оптический элемент для ограничения потоков электромагнитного излучения.4. Pat. RF №2238577, Non-linear optical element to limit the flow of electromagnetic radiation.

5. К.М.Nashold, D.P.Walter, J.Opt.Soc. B/Vol.12, №7, 1995.5. K.M. Nashold, D.P. Walter, J. Opt. Soc. B / Vol. 12, No. 7, 1995.

6. L.Vivien, P.Lancon, D.Riehl, F.Hache, E.Anglaret, Carbon. V.40, 1.10, 2002. P.1789.6. L. Vivien, P. Lancon, D. Riehl, F. Hache, E. Anglaret, Carbon. V.40, 1.10, 2002. P.1789.

7. S.E.Zeiensky, J.V.Kopyshinsky et al. Semiconductor Physics, Quantum Electronics. V.13, №1. Р.707. S. E. Zeiensky, J. V. Copyshinsky et al. Semiconductor Physics, Quantum Electronics. V.13, No. 1. P.70

Claims (1)

1. Способ ограничения интенсивности мощного лазерного излучения лимитером на основе суспензий наночастиц, обладающих нелинейно-оптическими свойствами, в прозрачных жидких матрицах, содержащих поверхностно-активное вещество, отличающийся тем, что ограничение импульсно-периодического лазерного излучения производят с частотой повторения до 10 Гц, при этом соотношение вязкости (η) и молекулярной массы (М) жидкостной компоненты лимитера определяется эмпирической формулой γ=Кη/М при значении 1<γ<10 и К=10 Да/Пз. 1. A method of limiting the intensity of high-power laser radiation by a limiter based on suspensions of nanoparticles having nonlinear optical properties in transparent liquid matrices containing a surfactant, characterized in that the limitation of pulse-periodic laser radiation is performed with a repetition rate of up to 10 Hz, at the ratio of viscosity (η) and molecular weight (M) of the liquid component of the limiter is determined by the empirical formula γ = Kη / M with a value of 1 <γ <10 and K = 10 Da / Pz.
RU2011131906/28A 2011-07-28 2011-07-28 Method of limiting intensity of laser radiation RU2495467C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011131906/28A RU2495467C2 (en) 2011-07-28 2011-07-28 Method of limiting intensity of laser radiation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011131906/28A RU2495467C2 (en) 2011-07-28 2011-07-28 Method of limiting intensity of laser radiation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011131906A RU2011131906A (en) 2013-02-10
RU2495467C2 true RU2495467C2 (en) 2013-10-10

Family

ID=49119426

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011131906/28A RU2495467C2 (en) 2011-07-28 2011-07-28 Method of limiting intensity of laser radiation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2495467C2 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2125286C1 (en) * 1997-06-10 1999-01-20 Казанский физико-технический институт Казанского научного центра РАН Method for manufacturing of non-linear optical materials using polymers
US7646544B2 (en) * 2005-05-14 2010-01-12 Batchko Robert G Fluidic optical devices
US20110170208A1 (en) * 2009-04-28 2011-07-14 Board Of Trustees Of The University Of Arkansas Broadband optical limiter based on nano-graphene and method of fabricating same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2125286C1 (en) * 1997-06-10 1999-01-20 Казанский физико-технический институт Казанского научного центра РАН Method for manufacturing of non-linear optical materials using polymers
US7646544B2 (en) * 2005-05-14 2010-01-12 Batchko Robert G Fluidic optical devices
US20110170208A1 (en) * 2009-04-28 2011-07-14 Board Of Trustees Of The University Of Arkansas Broadband optical limiter based on nano-graphene and method of fabricating same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
L.Vivien, P.Lancon и др. "Carbon nanotubes for optical limiting", Carbon, v.40, I.10, 2002, стр.1789-1797. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011131906A (en) 2013-02-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1646474A1 (en) Method for processing materials with laser pulses having a large spectral bandwidth and device for carrying out said method
Tsuboi et al. Crystallization of lysozyme based on molecular assembling by photon pressure
DE69905844T2 (en) Method for broadband limitation of a luminous flux and detector based on this method
RU2495467C2 (en) Method of limiting intensity of laser radiation
Chen et al. Tuning Optical Nonlinearity of Laser‐Ablation‐Synthesized Silicon Nanoparticles via Doping Concentration
Sharma et al. Lévy statistical fluctuations from a random amplifying medium
Liao et al. Strong nonlinear photonic responses from microbiologically synthesized tellurium nanocomposites
Matushiro et al. Femtosecond laser processing of polymethyl methacrylate with an axicon
CN103197483A (en) Pneumatic-control optical limiter
Edamatsu et al. Subpicosecond spectroscopy of the optical nonlinearities of CuCl quantum dots
Yogeswari et al. Electrospun 2-Nitroaniline (2NA)–Poly (methylmethacrylate)(PMMA) nanofibers for power limiting and Q-switching applications
DE102015016730A1 (en) UV curing device with split UV deflecting mirrors
Dengler et al. Nonlinear optical effects in colloidal carbon nanohorns—a new optical limiting material
Obraztsov et al. Carbon-nanotube-based saturable absorbers for near infrared solid state lasers
Chýlek et al. Time delay of stimulated Raman scattering of micron‐size droplets
Dancus et al. Optical limiting in CdTe nanocrystals embedded in polystyrene
Kedia et al. Random lasing from dyed polystyrene spheres in disordered environments
Vartapetov et al. Femtosecond lasers for microsurgery of cornea
Belousova et al. Nonlinear-optical laser-radiation limiters
McEwan et al. Two-photon-induced excited-state absorption in liquid crystal media
Kislyakov et al. Nonlinear optical studies of SWCNT+ coproporphyrin III hybrid systems
Barna et al. Efficient random laser effect in a new dye-nematic liquid crystalline composite
Stassinopoulos et al. Laser‐Like Emission From Highly Scattering ZnO Nanoparticle Films
Emshary et al. Measurement of optical nonlinearities in poly (1-naphthyle acrylate) dissolved in cyclohexane using TTL modulated laser beam
DE102005022154A1 (en) Reactor and method for gentle product drying

Legal Events

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

Effective date: 20180729