CN103576412B - 一种复合型光限幅器 - Google Patents
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Abstract
一种复合型光限幅器，包括沿入射光入射方向依次设置的第一石英比色皿和第二石英比色皿，且第一石英比色皿的入射光出射面和第二石英比色皿入射光的入射面相接触，第一石英比色皿内盛放有单壁碳纳米管分散液，第二石英比色皿内盛放有单层石墨烯分散液。本发明通过具有高损伤阈值的单壁碳纳米管分散液作用，可保证限器件在大能量动态范围内起到限幅防护作用；通过具有强限幅能力的单层石墨烯分散液作用，能够保证器件通过两级限幅作用后具有超低的限幅输出；本发明结合了单层石墨烯限幅阈值低和单壁碳纳米管损伤阈值高的优势，具有限幅阈值低、动态范围大、适用光谱范围宽的优点。本发明具有结构简单，成本低廉的特点。
Description
技术领域
本发明属于激光防护技术领域，具体涉及一种复合型光限幅器及其限幅方法。
背景技术
激光作为一种特殊光源在科技、医学、生产以及国防领域中发挥着越来越重要的作用。随着大功率激光技术的发展和完善，激光在现代军事中得到了迅速发展，激光致盲和激光武器更多的出现在现代战场上。面临新型激光武器的威胁，研制新型的激光限幅防护器件已成为现代国防科技中的亟需解决的关键科技问题。此外，随着激光在科技和生产生活中的应用日趋广泛，激光防护的重要性也越显突出。
目前，人们在光限幅研究方面已经做了大量的工作。光限幅材料基于各种非线性光学效应，包括非线性吸收、非线性折射或非线性散射等，表现为常光照射下的高透过率和高强度激光照射下的低透过率。研究所使用的光限幅材料多种多样，其中以碳材料最为典型，如炭黑悬浮液、C60等。然而理想的光限幅器件要求同时具有宽的光谱范围、低的限幅阈值，以及大的动态使用范围。而现有的光限幅器件却受到很多条件的限制无法达到理想的光限幅器件的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合型光限幅器，该复合型光限幅器结构简单，价格低廉，能够使入射光具有低限幅阈值、大动态范围的限幅输出以及宽光谱范围。
为了达到上述目的，本发明实施的技术方案如下：包括沿入射光入射方向依次设置的第一石英比色皿和第二石英比色皿，且第一石英比色皿的入射光出射面和第二石英比色皿入射光的入射面相接触，第一石英比色皿内盛放有单壁碳纳米管分散液，第二石英比色皿内盛放有单层石墨烯分散液。
所述的第一石英比色皿和第二石英比色皿的通光路径均为2-5mm。
所述的单层石墨烯分散液和单壁碳纳米管分散液的线性透过率均为60-90%。
所述的单层石墨烯分散液以及单壁碳纳米管分散液均是采用超声降解法制备的。
所述的超声时间为0.5-3h。
所述的单层石墨烯分散液的溶剂为甲苯、氯苯或酒精，单壁碳纳米管分散液的溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明在沿入射光入射方向依次设置的第一石英比色皿和第二石英比色皿，且第一石英比色皿内盛放有单壁碳纳米管分散液，第二石英比色皿内盛放有单层石墨烯分散液。因此，本发明结构简单，价格低廉，非常适用于激光防护系统，且入射光首先会经过碳纳米管分散液产生非线性散射实现一级限幅，经过一级限幅后出射的激光能量有所减弱，因此可保证入射到单层石墨烯分散液激光能量低于其损伤阈值；入射光经过第一级限幅输出后通过单层石墨烯分散液产生第二级限幅，从而实现入射光的超低限幅阈值输出；同时由于单壁碳纳米管的第一级限幅保护，该限幅器可对高能量激光脉冲产生限幅作用而不产生光学损伤；因此，本发明结合了单层石墨烯的超低限幅阈值，以及单壁碳纳米管损伤阈值高的优点，使本发明具有低限幅阈值、大能量动态范围和宽光谱适用范围。
进一步，本发明所采用的单层石墨烯分散液是以甲苯、氯苯或酒精为溶剂，这些溶剂具有较小表面张力，可在保证石墨烯分散液稳定性的同时，使单层石墨烯分散液具有更优异的限幅防护能力，可实现超低阈值限幅输出。
进一步，本发明所采用的单壁碳纳米管分散液是以N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺剂为溶剂，这些溶剂的表面张力比较大，使单壁碳纳米管分散液在产生限幅作用的同时具有更高的损伤阈值。
附图说明
图1本发明的限幅工作原理示意图；
图2对脉宽10ns、波长532nm纳秒激光限幅效果图；其中，a为单层石墨烯氯苯分散液，b为单壁碳纳米管N-甲基吡咯烷酮分散液，c为本发明；
图3本发明对脉宽10ns、波长1064nm纳秒激光限幅效果图；其中，a为单层石墨烯氯苯分散液，b为单壁碳纳米管N-甲基吡咯烷酮分散液，c为本发明；
其中，1、第一石英比色皿，2、第二石英比色皿，3、第一透镜，4、第二透镜，5、探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
参见图1，本发明包括沿入射光入射方向依次设置的第一石英比色皿1和第二石英比色皿2，且第一石英比色皿1的入射光出射面和第二石英比色皿2入射光的入射面相接触，第一石英比色皿1内盛放有单壁碳纳米管分散液，第二石英比色皿2内盛放有单层石墨烯分散液，且单壁碳纳米管分散液和单层石墨烯分散液的线性透过率均为60-90%。
其中，所述的第一石英比色皿1和第二石英比色皿2的通光路径均为2-5mm，壁厚均为0.5-1mm。
所述的单层石墨烯分散液以及单壁碳纳米管分散液均是采用超声降解法制备的，采用的超声时间2h，且单层石墨烯分散液的溶剂为表面张力较小的甲苯、氯苯或酒精，单壁碳纳米管分散液的溶剂为表面张力较大的N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺。
如图1所示，入射光经第一透镜3后通过盛放于第一石英比色皿1内的碳纳米管分散液产生非线性散射实现一级限幅，然后通过紧靠其后的盛放于第二石英比色皿2内的石墨烯分散液产生二级限幅，强光经过一级限幅后可保证其限幅输出低于石墨烯分散液的损伤阈值；经过二级限幅后可实现超低限幅阈值输出，同时具有很高的损伤阈值。从石墨烯分散液中出来的入射光通过第二透镜4后进入探测器5，探测器5对经过本发明复合型光限幅器作用后的激光脉冲能量进行监测。
下面结合附图给出本发明复合型光限幅器的实施例。
参见图1，本发明包括沿入射光入射方向依次设置的第一石英比色皿1和第二石英比色皿2，且第一石英比色皿1的入射光出射面和第二石英比色皿2入射光的入射面相接触，第一石英比色皿1内盛放有单壁碳纳米管N-甲基吡咯烷酮分散液(SWNTs-NMP)，第二石英比色皿2内盛放有单层石墨烯氯苯分散液(Graphene-CB)，且单壁碳纳米管N-甲基吡咯烷酮分散液和单层石墨烯氯苯分散液的线性透过率均为70%。
其中，所述的第一石英比色皿1和第二石英比色皿2的通光路径均为5mm，壁厚均为1mm。单壁碳纳米管N-甲基吡咯烷酮分散液和单层石墨烯氯苯分散液均是采用超声降解法制备的，超声时间为2h。
如图2所示，图2给出了利用脉宽10ns、波长532nm的Nd3+:YAG脉冲激光测试的光限幅输入-输出关系。
单层石墨烯氯苯分散液的限幅输出约为0.05J/cm2，损伤阈值约为0.3J/cm2（参见图2a）。单壁碳纳米管N-甲基吡咯烷酮分散液的阈值在1.2J/cm2以上，限幅输出约为0.29J/cm2，接近单层石墨烯氯苯分散液的损伤阈值（参见图2b）。
本发明复合光限幅器由于单壁碳纳米管的限幅保护作用，当输入能量密度很高时，入射到单层石墨烯氯苯分散液的能量密度仍低于单层石墨烯氯苯分散液的损伤阈值，因此可以实现低限幅阈值、大动态范围的限幅输出。该复合型光限幅器对532nm纳秒激光的损伤阈值可高于1.2J/cm2，限幅输出可低于0.05J/cm2（参见图2c）。
图3给出了脉宽10ns、波长1064nm的Nd3+:YAG脉冲激光测试的光限幅输入-输出关系。
单层石墨烯氯苯分散液的限幅阈值约为0.2J/cm2，损伤阈值约为0.4J/cm2（参见图3a）。单壁碳纳米管N-甲基吡咯烷酮分散液的阈值在1.2J/cm2以上，限幅输出约为0.23J/cm2，低于单层石墨烯氯苯分散液的损伤阈值（参见图3b）。
本发明复合光限幅器对1064nm波长纳秒激光的损伤阈值可高于1.2J/cm2，限幅输出可低于0.05J/cm2（参见图2c）。
由此可见，本发明复合光限幅器不仅具有损伤阈值高、限幅能力强的优点，同时本发明相应的激光波长从532nm到1064nm，因此还具有响应光谱范围宽的特点。
本发明利用损伤阈值高的单壁碳纳米管分散液作为限幅器的一级防护，可保证器件在较大动态能量范围内具有较低的限幅输出；利用限幅阈值超低的单层石墨烯分散液作为二级防护，使经过一级限幅输出后的入射光具有更低的限幅输出；由于两种材料的光限幅响应均起源于非线性散射机制，因此具有响应带宽宽、速度快的优点。该限幅器结合了单层石墨烯限幅阈值低和单壁碳纳米管损伤阈值高的优势，具有限幅阈值低、动态范围大、适用光谱范围宽的优点。本发明具有结构简单，成本低廉的特点，非常适用于激光防护系统。
作为一级防护的单壁碳纳米管是一种典型的一维纳米材料，其分散液在受到强光照射后容易产生微气泡，进而产生非线性散射，因此可用以制备光限幅器件。基于单壁碳纳米管的光限幅器具有带宽宽、响应时间短、限幅阈值较低、损伤阈值高的特点。
石墨烯是近年发展起来的一种二维碳纳米材料，其力学、电学性质以及导热性能都是现有材料中最好的，在新材料、新能源、电子、信息以及航空航天等多个领域备受关注。本发明作为二级防护的单层石墨烯分散液在强光照射后，容易发生非线性散射，产生光限幅效应，因此非常适于制备具有超低限幅阈值的光限幅器件。相比较于单壁碳纳米管，单层石墨烯分散液受到强光照射后虽然更容易产生限幅效应，但是同时比较容易产生光学损伤，因此所制备限幅器件的损伤阈值较低，很难在较大的能量动态范围内使用。尽管石墨烯和碳纳米管在激光限幅防护应用方面都表现出各自的优势，因此，如何将两种材料的优势相结合以实现具备上述优点的光限幅器件，是本发明的主要目的。
Claims (6)
1.一种复合型光限幅器，其特征在于：包括沿入射光入射方向依次设置的第一石英比色皿(1)和第二石英比色皿(2)，且第一石英比色皿(1)的入射光出射面和第二石英比色皿(2)入射光的入射面相接触，第一石英比色皿(1)内盛放有单壁碳纳米管分散液，第二石英比色皿(2)内盛放有单层石墨烯分散液。
2.根据权利要求1所述的复合型光限幅器，其特征在于：所述的第一石英比色皿(1)和第二石英比色皿(2)的通光路径均为2-5mm。
3.根据权利要求1所述的复合型光限幅器，其特征在于：所述的单层石墨烯分散液和单壁碳纳米管分散液的线性透过率均为70％。
4.根据权利要求1、2或3所述的复合型光限幅器，其特征在于：所述的单层石墨烯分散液以及单壁碳纳米管分散液均是采用超声降解法制备的。
5.根据权利要求4所述的复合型光限幅器，其特征在于：所述的超声降解法的超声时间为0.5-3h。
6.根据权利要求4所述的复合型光限幅器，其特征在于：所述的单层石墨烯分散液的溶剂为甲苯、氯苯或酒精，单壁碳纳米管分散液的溶剂为N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺或N,N-二甲基乙酰胺。
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