CN103197483A - 气压控制的光限幅器 - Google Patents

Abstract

一种气压控制的光限幅器，该装置包括密封腔和一个减压系统。该光限幅器利用非线性散射介质的非线性散射效应与溶剂沸点有关的特点，通过调节非线性散射介质周围的气压，实现对光限幅响应大小的实时调控。本发明能够实现光限幅响应的实时、定量调节，可应用于敏感光学器件的激光防护和激光控制。

Description

气压控制的光限幅器

技术领域

本发明涉及光限幅器，特别是一种气压控制的光限幅器。

背景技术

现代激光技术的发展使得激光在测距、雷达和通讯等领域得到日益广泛的应用，但随之而来的是强激光很容易造成人眼及系统中光电设备的损伤，因此对危险激光安全防护成为紧迫的需求。

光限幅器是指拥有下列特性的材料或器件：当被激光照射时，在低强度激光照射下具有高的透过率，而在高强度激光照射下具有低的透过率。光限幅过程是利用光学材料如单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和石墨烯等非线性材料通过非线性吸收、非线性折射或非线性散射等非线性光学效应来实现的。利用材料的光限幅效应可以有效地保护眼睛和器件免受强激光伤害，在激光防护设备领域具有广阔的应用前景。因此，通过具有优异光限幅性质的非线性散射材料实现快捷、方便和高效的光限幅器及技术成为人们研究的热点。

材料科学领域的国际领先学术杂志《先进材料》首次报道了用液相剥离法技术制备的高品质无氧化、无缺陷的石墨烯对532nm和1064nm纳秒激光脉冲的宽带非线性光学响应，证实其光限幅现象（即材料透射率随入射光强增大而减小的现象），为开发基于石墨烯的光子器件奠定了实验基础（J.Wang等,Advanced Materials2009,21卷,页码：2430-2435）。同年5月，新加坡国立大学利用水热作用将氧化石墨烯还原成石墨烯，并实现了石墨烯在红外波段可调谐的光限幅性质（Y.Zhou等,Chemistry of Materials2009,21卷,页码：2950-2956）。Livien等人在《Carbon》上首次报道了单壁碳纳米管在水/表面活性剂中形成悬浮液的光限幅行为，实现了宽波段的光限幅性，不仅在532nm而且在1064nm也有光限幅性，在可见和红外区域都表现出光限幅行为。虽然基于新型材料如石墨烯等的光限幅材料得到了人们深入的研究并迅速发展，但是，目前的光限幅器或材料无法进行实时调节，在多变的应用环境中难以满足使用要求。

发明内容

为克服上述基于非线性散射介质的光限幅调节方法的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种气压控制的光限幅器，该光限幅器具有易操作、介质可选择范围广和稳定性高的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种气压控制的光限幅器，其特征在于：包括一个圆柱形密封腔，该密封腔的相对立面设有第一透明窗口和第二透明窗口，在该密封腔内的底面中心设有一个圆柱形样品台；在该圆柱形样品台的中心设有一个长方体透明容器，该透明容器的两个相对面与第一透明窗口和第二透明窗口平行；在所述的透明容器内装有分散在有机溶剂或胆酸钠的水溶液中的非线性散射介质，液面高度高于第一透明窗口和第二透明窗口的最上沿；在所述的密封腔的顶部设有接口，该接口密封地连接一个减压系统，该减压系统从接口开始，由依次串联的第一阀门、负压表、第二阀门和真空泵构成，在第二阀门和真空泵之间的支路连接第三阀门，所述的第一阀门用于关闭整个减压系统，所述的第二阀门用于保持密封腔内气压的稳定，所述的第三阀门用于密封腔内正常气压的恢复。

所述的非线性散射介质为石墨烯、石墨烯的衍生物、碳纳米管或碳纳米管的衍生物。

所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺或γ-羟基丁酸内酯。

所述的非线性散射介质分散液的光限幅机制是基于气泡的非线性散射效应。当激光脉冲照射到非线性散射介质上时，介质由于高的热传导率，将光能转化成热能传递给周围的溶剂，使溶剂蒸发而形成气泡，气泡不断长大最终破裂，同时又有新的气泡不断地生成、破裂，最终气泡达到一个相对稳定的平衡态。形成的气泡会对激光脉冲产生强烈的散射，使大部分激光脉冲被散射掉，只有少部分脉冲激光透过，从而有效地降低了透过率。而外部气压的变化可以明显改变最终气泡的大小，由Rayleigh-Plesset方程可以推导出压力与气泡半径之间的关系：

可见，在表面张力γ、温度T、气体常数R及非线性散射介质颗粒数密度n不变的情况下，随着气压p的增大，气泡半径随之减小，散射截面变小，透过率变大，即光限幅响应减弱。反之，气压p减小，气泡半径随之增大，散射截面变大，透过率减小，即光限幅响应增强。

本发明气压控制的光限幅器的光限幅的调节方法，包括：

当有激光脉冲从第一透明窗口入射时，实时测量该激光脉冲通过第二透明窗口的能量。首先记录常压下激光脉冲透过第二窗口后的能量值，打开第一阀门和第二阀门，关掉第三阀门，通过减压装置抽真空，减小密封腔内非线性散射介质分散液上方的气压，当激光脉冲透过第二窗口后的能量降低到所需的能量值时，关掉第二阀门，使密封腔内保持稳定的气压，即可保持从第二窗口输出的激光束的激光能量，即实现了光限幅。按照此方法，可根据激光脉冲透过的能量值的不同要求，改变密封腔内的气压，实时调节光限幅响应大小。

本发明的技术效果如下：

本发明气压控制的光限幅器，该光限幅器易操作，可方便的定量调节气压调节光限幅响应大小；介质可选择范围广，光限幅机制是基于非线性散射的介质均可用于该光限幅器；稳定性高，可通过密封装置保持气压的稳定性，实现非线性响应的稳定调节；可实时调节光限幅响应，通过真空装置实时对气压进行调节，进而实现实时光限幅。

附图说明

图1是本发明气压控制的光限幅器实施例1的装置示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

先请参阅图1，图1是本发明气压控制的光限幅器实施例1的装置示意图，由图可见，本发明气压控制的光限幅器，包括一个圆柱形密封腔1，该密封腔1的相对立面设有第一透明窗口2和第二透明窗口11，在该密封腔1内的底面中心设有一个圆柱形样品台3；在该圆柱形样品台3的中心设有一个长方体透明容器9，该透明容器9的两个相对面与第一透明窗口2和第二透明窗口11平行；在所述的透明容器内装有非线性散射介质10，该非线性散射介质10分散在有机溶剂或表面活性剂的溶液中，液面高度高于第一透明窗口2和第二透明窗口11的最上沿；在所述的密封腔的顶部设有接口，该接口密封连接一个减压系统，该减压系统的构成从接口开始，包括依次串联的第一阀门、负压表、第二阀门和真空泵，在第二阀门和真空泵之间的支路连接第三阀门，所述的第一阀门用于关闭整个减压系统，所述的第二阀门用于保持密封腔内气压的稳定，所述的第三阀门用于密封腔内正常气压的恢复。当有激光脉冲从第一透明窗口入射时，实时测量该激光脉冲通过第二透明窗口后的能量。首先记录常压下激光脉冲透过第二窗口后的能量值，打开第一阀门和第二阀门，关掉第三阀门，通过减压装置抽真空，减小密封腔内即非线性散射介质分散液上方的气压，当激光脉冲透过第二窗口后的能量降低到所需的能量值时，关掉第二阀门，使密封腔内保持稳定的气压，即可保持从第二窗口输出的激光束的激光能量，即实现了光限幅。按照此方法，可根据激光脉冲透过的能量值的不同要求，改变密封腔内的气压，实时调节光限幅响应大小。

实验表明，本发明通过真空装置实时对气压进行调节，进而实现实时光限幅。该光限幅器具有易操作、介质可选择范围广和稳定性高的特点。

Claims (3)

1.一种气压控制的光限幅器，其特征在于：包括一个圆柱形密封腔（1），该密封腔（1）的相对立面设有第一透明窗口（2）和第二透明窗口（11），在该密封腔（1）内的底面中心设有一个圆柱形样品台（3）；在该圆柱形样品台（3）的中心设有一个长方体透明容器（9），该透明容器（9）的两个相对面与第一透明窗口（2）和第二透明窗口（11）平行；在所述的透明容器内装有分散在有机溶剂或胆酸钠的水溶液中的非线性散射介质（10），液面高度高于第一透明窗口（2）和第二透明窗口（11）的最上沿；在所述的密封腔（1）的顶部设有接口（12），该接口（12）密封地连接一个减压系统，该减压系统从接口（12）开始，由依次串联的第一阀门（4）、负压表（5）、第二阀门（6）和真空泵（8）构成，在第二阀门（6）和真空泵（8）之间的支路连接第三阀门（7）。

2.根据权利要求1所述的气压控制的光限幅器，其特征在于：所述的非线性散射介质（10）为石墨烯、石墨烯的衍生物、碳纳米管或碳纳米管的衍生物。

3.根据权利要求1所述的气压控制的光限幅器，其特征在于：所述的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基乙酰胺、二甲基甲酰胺或γ-羟基丁酸内酯。

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