RU2306586C1 - Method for manufacturing non-linear limiter of laser radiation and a non-linear limiter of laser radiation - Google Patents
Method for manufacturing non-linear limiter of laser radiation and a non-linear limiter of laser radiation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2306586C1 RU2306586C1 RU2006114138/28A RU2006114138A RU2306586C1 RU 2306586 C1 RU2306586 C1 RU 2306586C1 RU 2006114138/28 A RU2006114138/28 A RU 2006114138/28A RU 2006114138 A RU2006114138 A RU 2006114138A RU 2306586 C1 RU2306586 C1 RU 2306586C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon nanoparticles
- nonlinear
- treated
- plasma
- matrix medium
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к способам изготовления и конструкциям светоуправляемых оптических элементов, а именно нелинейных фильтров, предназначенных для поглощения лазерного излучения ультрафиолетового, видимого и ближнего ИК-диапазонов спектра и используемых в системах контроля и обработки оптической информации для защиты биообъектов, например глаз человека, и технических приемников от воздействия лазерного излучения с высокими плотностями падающей энергии.The invention relates to the field of optical instrumentation, in particular to methods of manufacturing and designs of light-controlled optical elements, namely non-linear filters, designed to absorb laser radiation from ultraviolet, visible and near infrared spectral ranges and used in optical information monitoring and processing systems to protect biological objects, for example, the human eye, and technical receivers from exposure to laser radiation with high incident energy densities.
Нелинейный поглотитель лазерного излучения является одним из основных элементов оптоэлектронных схем регистрации оптической информации, выполняющим функцию ограничения мощного лазерного излучения в реальном масштабе времени при использовании различных сред: молекулярных растворов, суспензий, тонкопленочных структур. В таком оптическом элементе происходит нелинейное поглощение, рефракция и рассеяние лазерной энергии, основанные на комплексе физических механизмов, таких как обратное насыщенное поглощение с возбужденных электронно-колебательных уровней молекул сенсибилизатора, комплексообразование между органической матрицей и введенным сенсибилизатором, индуцированное светом изменение показателя преломления, поглощение на свободных носителях при процессе гибридизации электронных оболочек матричных молекул и молекул сенсибилизатора, др. Нелинейные характеристики поглотителя определяются как физико-химическими особенностями используемых матричных материалов (различные фоточувствительные композиции, виды комплексообразующих примесей и их концентрации, различие в сольватных оболочках растворителей, др.), так и возможностью оптимизации их параметров путем использования различных спектральных диапазонов, различных уровней плотности мощности лазерного излучения и длительности его импульса, использования различных дополнительных процессов для изменения плотности исследуемой нелинейной среды, в том числе и методов акустооптики.A nonlinear laser absorber is one of the main elements of optoelectronic schemes for recording optical information, performing the function of limiting high-power laser radiation in real time using various media: molecular solutions, suspensions, thin-film structures. In such an optical element, nonlinear absorption, refraction and scattering of laser energy occurs, based on a set of physical mechanisms, such as reverse saturated absorption from excited electronic-vibrational levels of the sensitizer molecules, complexation between the organic matrix and the sensitizer introduced, light-induced change in the refractive index, absorption by free carriers during the hybridization process of electronic shells of matrix molecules and sensitizer molecules, etc. The linear characteristics of the absorber are determined both by the physicochemical characteristics of the matrix materials used (various photosensitive compositions, types of complexing impurities and their concentration, differences in the solvate shells of solvents, etc.), and the possibility of optimizing their parameters by using different spectral ranges and various power density levels laser radiation and its pulse duration, the use of various additional processes to change the density of research emoy nonlinear medium, including acousto-optic methods.
Известен способ изготовления оптического фуллеренсодержащего материала (см. патент US №6066272, МПК В32В 3/02, опубликован 30.08.2005), включающий приготовление производных фуллерена в водном растворе этанола и последующую реакцию этого раствора с тетраэтилортосиликатом, в результате которой образуется оптическое стекло.A known method of manufacturing an optical fullerene-containing material (see US patent No. 6066272, IPC B32B 3/02, published 30.08.2005), comprising the preparation of fullerene derivatives in an aqueous solution of ethanol and the subsequent reaction of this solution with tetraethylorthosilicate, which results in the formation of optical glass.
Получаемый известным способом материал может быть использован для изготовления оптических фильтров, обеспечивающих сдвиг по длине волны от 239,7 до 713,3 нм в зависимости от концентрации фуллеренов. Недостатком известного способа изготовления данного материала и, соответственно, оптического ограничивающего элемента на его основе является отсутствие полос поглощения в ИК-области спектра, что существенно сдерживает возможные области применения указанного устройства.The material obtained in a known manner can be used for the manufacture of optical filters that provide a shift in wavelength from 239.7 to 713.3 nm, depending on the concentration of fullerenes. A disadvantage of the known method of manufacturing this material and, accordingly, an optical confining element based on it is the absence of absorption bands in the infrared region of the spectrum, which significantly inhibits the possible applications of this device.
Известен оптический фуллеренсодержащий материал (см. патент US №6066272, МПК В32В 3/02, опубликован 30.08.2005), включающий оптически прозрачную матричную среду в виде силиконового стекла, в котором диспергированы производные фуллерена в количестве, по меньшей мере, 0,55 мас.%.Known optical fullerene-containing material (see US patent No. 6066272, IPC
Изготовленный на основе фуллеренсодержащего материала оптический фильтр позволяет осуществить сдвиг по длине волны от 239,7 до 713,3 нм. Недостатком указанного фуллеренсодержащего материала является отсутствие спектральных полос поглощения в ИК-области спектра, а также большое количество сенсибилизатора, а именно 0,55 мас.%, что ограничивает его использование в ИК-области спектра и повышает стоимость, соответственно.An optical filter made on the basis of fullerene-containing material allows a shift in wavelength from 239.7 to 713.3 nm. The disadvantage of this fullerene-containing material is the lack of spectral absorption bands in the infrared region of the spectrum, as well as a large amount of sensitizer, namely 0.55 wt.%, Which limits its use in the infrared region of the spectrum and increases the cost, respectively.
Известен способ изготовления оптического элемента (см. патент US №6936322, МПК В32В 3/02, опубликован 30.08.2005), по которому на подложке формируют слой углеродных одностенных нанотрубок (ОСНТ) распылением жидкости (спирта), в которой диспергированы одностенные нанотрубки.A known method of manufacturing an optical element (see US patent No. 6936322, IPC B32B 3/02, published August 30, 2005), according to which a layer of carbon single-walled nanotubes (SWNTs) is formed on the substrate by spraying a liquid (alcohol) in which single-walled nanotubes are dispersed.
Известный способ позволяет получать оптические элементы, использующие насыщающее поглощение оптического излучения лишь в диапазоне длин волн 1,2-2,0 мкм.The known method allows to obtain optical elements using saturating absorption of optical radiation only in the wavelength range of 1.2-2.0 μm.
Известен оптический элемент (см. патент US №6936322, МПК В32В 3/02, опубликован 30.08.2005), включающий подложку, на которой сформирована пленка из углеродных ОСНТ.A known optical element (see US patent No. 6936322, IPC B32B 3/02, published 30.08.2005), comprising a substrate on which a film of carbon SWCNTs is formed.
Известный оптический элемент может использоваться в качестве оптического переключателя в диапазоне длин волн 1,2-2,0 мкм. Недостатком указанного оптического элемента является отсутствие эффекта поглощения в видимом диапазоне спектра, что существенно сужает спектральную область использования известного оптического элемента.Known optical element can be used as an optical switch in the wavelength range of 1.2-2.0 μm. The disadvantage of this optical element is the lack of absorption in the visible range of the spectrum, which significantly narrows the spectral range of use of the known optical element.
Известен способ изготовления композиции из полимера и углеродных нанотрубок (см. заявку US №20050245667, МПК С08К 3/04, опубликована 03.11.2005), включающий растворение прозрачного полимера в циклогексане при температуре, достаточной для того, чтобы предотвратить осаждение полимера, диспергирование с помощью ультразвука углеродных ОСНТ в циклогексане, смешивание раствора полимера и суспензии углеродных нанотрубок, обработку полученной смеси ультразвуком для однородного распределения ОСНТ в полимерной матрице, нанесение смеси на подложку и последующее получение композиции с содержанием ОСНТ 0,1-10,0 мас.% испарением в вакууме растворителей.A known method of manufacturing a composition of a polymer and carbon nanotubes (see application US No.20050245667, IPC С08К 3/04, published 03.11.2005), comprising dissolving a transparent polymer in cyclohexane at a temperature sufficient to prevent polymer precipitation, dispersing using ultrasound of carbon SWCNTs in cyclohexane, mixing a polymer solution and a suspension of carbon nanotubes, sonication of the resulting mixture for uniform distribution of SWCNTs in the polymer matrix, applying the mixture to the substrate and the subsequent obtaining a composition with an SWNT content of 0.1-10.0 wt% by evaporation of solvents in vacuo.
Полученная известным способом композиция предназначена для защиты от ионизирующего излучения, включающего галактическое космическое излучение.Obtained in a known manner, the composition is intended to protect against ionizing radiation, including galactic cosmic radiation.
Известен материал для изменения электромагнитного излучения (см. заявку US №20050272856, МПК D01F 9/12, опубликована 08.12.2005), включающий распределенные в жидкой, твердой или газообразной среде углеродные нанотрубки, имеющие длину L, определяемую из соотношения:Known material for changing electromagnetic radiation (see application US No.20050272856, IPC D01F 9/12, published 12/08/2005), including carbon nanotubes distributed in a liquid, solid or gaseous medium, having a length L, determined from the ratio:
L≥1/2λ,L≥1 / 2λ,
где λ - длина электромагнитного излучения, падающего на материал.where λ is the length of the electromagnetic radiation incident on the material.
Известный материал предназначен, в частности, для поглощения электромагнитного излучения. Однако достаточно сложно получить углеродные нанотрубки определенной длины, необходимые для изготовления этого материала.Known material is intended, in particular, to absorb electromagnetic radiation. However, it is rather difficult to obtain carbon nanotubes of a certain length necessary for the manufacture of this material.
Известен способ получения твердого раствора фуллерена С60 в стекле из двуокиси кремния SiO2 (см. патент US №5420081, МПК С03С 14/00, опубликован 30.05.1995), включающий приготовление золя из металлоалкоголята, воды и катализатора, приготовление раствора фуллерена С60, смешивание приготовленных золя и раствора фуллерена С60, обработку смеси ультразвуком для получения однофазного золя и последующую термическую обработку золя для формирования стекла.A known method of producing a solid solution of fullerene C 60 in a glass of silicon dioxide SiO 2 (see US patent No. 54420081, IPC C03C 14/00, published 05/30/1995), including the preparation of sols from metal alcohol, water and catalyst, the preparation of a solution of fullerene C 60 mixing the prepared sols and C 60 fullerene solution, sonicating the mixture to obtain a single-phase sol and subsequent heat treatment of the sol to form glass.
Полученное известным способом фуллеренсодержащее стекло может поглощать лазерное излучение с длиной волны лишь до 800 нм.Obtained in a known manner, fullerene-containing glass can absorb laser radiation with a wavelength of only up to 800 nm.
Известен ограничитель оптического излучения (см. патент US №5172278, МПК G02B 5/24, опубликован 15.12.1992), включающий оптически прозрачную матричную среду, в которой диспергирован фуллерен, выбранный из группы: С60, С70, С76, C84, C90 и С94.Known optical radiation limiter (see US patent No. 5172278, IPC G02B 5/24, published December 15, 1992), including an optically transparent matrix medium in which fullerene is dispersed, selected from the group: C 60 , C 70 , C 76 , C 84 C 90 and C 94 .
Известен способ изготовления ограничителя лазерного излучения, выбранный в качестве прототипа (см. N.V.Kamanina, I.V.Bagrov, I.M.Belousova, S.O.Kognovitskii, A.P.Zhevlakov. - «Fullerene-doped π-conjugated organic systems under infrared laser irradiation». - Opt. Commun. v.194, nos.4-6, pp.367-372, 2001), включающий введение в оптически прозрачную матричную среду в виде 0,5-1,0%-ного раствора полиимида в хлороформе углеродных наночастиц в виде фуллерена С60, либо смеси фуллеренов и красителя малахитового зеленого в качестве сенсибилизирующей добавки и заливку полученного состава в кювету толщиной 10 мм.A known method of manufacturing a laser radiation limiter, selected as a prototype (see NVKamanina, IVBagrov, IMBelousova, SOKognovitskii, APZhevlakov. - "Fullerene-doped π-conjugated organic systems under infrared laser irradiation." - Opt. Commun. V.194, nos. .4-6, pp.367-372, 2001), which includes introducing into the optically transparent matrix medium in the form of a 0.5-1.0% solution of polyimide in chloroform of carbon nanoparticles in the form of fullerene C 60 , or a mixture of fullerenes and dye malachite green as a sensitizing additive and pouring the resulting composition into a 10 mm thick cuvette.
Поскольку максимум поглощения чистой полиимидной среды находится вблизи 400 нм, выбор фуллеренового сенсибилизатора обеспечивал сдвиг спектра поглощения в более длинноволновую область и эффективное использование процесса комплексообразования между полиимидом и фуллереном (новый пик поглощения был зарегистрирован на длине волны 1405 нм, что находилось вблизи длины волны излучения используемого йодного лазера). Это определяет дополнительный вклад в нелинейное поглощение и увеличивает степень нелинейного ослабления излучения.Since the absorption maximum of the pure polyimide medium is near 400 nm, the choice of the fullerene sensitizer provided a shift of the absorption spectrum to a longer wavelength region and efficient use of the complexation process between the polyimide and fullerene (a new absorption peak was recorded at a wavelength of 1405 nm, which was close to the radiation wavelength used iodine laser). This determines an additional contribution to nonlinear absorption and increases the degree of nonlinear attenuation of radiation.
Изготовленный известным способом ограничитель обеспечивает 3-4-кратное ослабление излучения ИК-диапазона для раствора полиимида в хлороформе при сенсибилизации полиимида фуллереном С60 в количестве 5,0 мас.%, и 5-6-кратное ослабление при одновременном использовании смеси из двух сенсибилизаторов (1,0 мас.% фуллерена С60 и 1,0 мас.% красителя малахитового зеленого по отношению к сухому веществу полиимида). Порог ограничения в первом случае составил 0,8 Дж·см-2, во втором случае был близок к плотности энергии 0,7 Дж·см-2. Ограничители ослабляли плотности энергии падающего излучения не менее 1 Дж·см-2 и не менее 2,5 Дж·см-2 соответственно. Недостатком ограничителя, полученного известным способом, является возможность работы в ограниченном спектральном диапазоне, а именно в узкой спектральной области, на длине волны 1315 нм, малый уровень ослабления (ограничения) излучения и плохая однородность, поскольку использование нескольких компонентов для создания раствора с нелинейными свойствами (полиимид, фуллерен, малахитовый зеленый) не позволяет реализовать высокую однородность по объему структуры.A limiter made by a known method provides 3-4-fold attenuation of IR radiation for a solution of polyimide in chloroform upon sensitization of polyimide with fullerene C 60 in an amount of 5.0 wt.%, And 5-6-fold attenuation while using a mixture of two sensitizers ( 1.0 wt.% Fullerene C 60 and 1.0 wt.% Dye malachite green in relation to the dry matter of polyimide). The limiting threshold in the first case was 0.8 J · cm -2 , in the second case it was close to the energy density of 0.7 J · cm -2 . The limiters weakened the energy density of the incident radiation of not less than 1 J · cm -2 and not less than 2.5 J · cm -2, respectively. The disadvantage of the limiter obtained in a known manner is the ability to work in a limited spectral range, namely in a narrow spectral region, at a wavelength of 1315 nm, a low level of attenuation (limitation) of radiation and poor uniformity, since the use of several components to create a solution with non-linear properties ( polyimide, fullerene, malachite green) does not allow to realize high uniformity in the volume of the structure.
Известен нелинейный ограничитель лазерного излучения, выбранный в качестве прототипа (см. Н.В.Каманина, М.О.Искандаров, А.А.Никитичев. - «Оптические исследования системы 2-(n-пролинол)-5-нитропиридин-фуллерен в среднем ИК-диапазоне спектра». - Письма в ЖТФ, т.29, №8, с.62-68, 2003), включающий оптически прозрачную матричную среду в виде 1-3%-ного раствора 2-(n-пролинол-5-нитропиридина) в тетрахлорэтане, в которой диспергированы углеродные наночастицы в виде фуллерена С60 в количестве 1,0 мас.% по отношению к матричной среде в качестве сенсибилизирующей добавки. Матричная среда с сенсибилизатором заключена в кювету толщиной 10 мм. Порог ограничения излучения лазера на длине волны 2940 нм и при длительности импульса 500 мкс составил 0,9-1,0 Дж·см-2, ограничитель обеспечивает 6-7-кратное ослабление излучения при плотности ограничиваемой лазерной энергии ~1,5 Дж·см-2.Known nonlinear laser radiation limiter, selected as a prototype (see N.V. Kamanina, M.O. Iskandarov, A.A. Nikitichev. - “Optical studies of 2- (n-prolineol) -5-nitropyridine-fullerene in mid-IR range. ”- Letters in ZhTF, vol. 29, No. 8, pp. 62-68, 2003), which includes an optically transparent matrix medium in the form of a 1-3% solution of 2- (n-prolinol-5 -nitropiridina) in tetrachloroethane, wherein the carbon nanoparticles dispersed in the form of fullerene C 60 in an amount of 1.0 wt.% relative to the matrix medium as sensitizing ADDED and. The matrix medium with sensitizer is enclosed in a 10 mm thick cuvette. The threshold for limiting laser radiation at a wavelength of 2940 nm and for a pulse duration of 500 μs was 0.9-1.0 J cm -2 , the limiter provides a 6-7-fold attenuation of radiation at a density of limited laser energy of ~ 1.5 J cm -2 .
Недостатком известного нелинейного ограничителя лазерного излучения является малый уровень ослабления излучения, многокомпонентность состава нелинейной среды, а также существенное ограничение спектральной области работы ограничителя, что определялось спецификой химического строения и энергетической схемой уровней выбранных матричных и сенсибилизирующих компонент, не позволяющих реализовать несколько механизмов ограничения излучения в одной системе.A disadvantage of the known nonlinear laser radiation limiter is the low level of radiation attenuation, the multicomponent composition of the nonlinear medium, as well as a significant limitation of the spectral range of the limiter, which was determined by the specificity of the chemical structure and the energy level diagram of the selected matrix and sensitizing components that do not allow several radiation limitation mechanisms to be implemented in one system.
Задачей заявляемого изобретения являлась разработка такого способа изготовления нелинейного ограничителя лазерного излучения и конструкции нелинейного ограничителя лазерного излучения, которые бы обеспечили увеличение степени ограничения излучения ближнего ИК-диапазона спектра без снижения значения плотности падающей на него энергии лазерного излучения на уровне ≤2,5 Дж·см-2.The objective of the invention was the development of such a method of manufacturing a nonlinear laser radiation limiter and the design of a nonlinear laser radiation limiter, which would provide an increase in the degree of limitation of radiation in the near infrared spectrum without reducing the density of the incident laser energy at a level of ≤2.5 J · cm -2 .
Поставленная задача в части способа решается тем, что способ изготовления нелинейного ограничителя лазерного излучения включает введение в оптически прозрачную матричную среду углеродных наночастиц в количестве 0,1-1,0 мас.% в качестве сенсибилизирующей добавки, при этом углеродные наночастицы предварительно обрабатывают газовой плазмой при частоте электромагнитного поля 0,44-40 МГц и при мощности электрического разряда 0,01-0,1 Вт/см3 в среде неорганического газа или смеси неорганических газов при давлении 0,1-1,13 Торр в течение 200-700 с.The task in terms of the method is solved by the fact that the method of manufacturing a nonlinear laser radiation limiter comprises introducing into the optically transparent matrix medium carbon nanoparticles in an amount of 0.1-1.0 wt.% As a sensitizing additive, while the carbon nanoparticles are pre-treated with gas plasma at an electromagnetic field frequency of 0.44-40 MHz and an electric discharge power of 0.01-0.1 W / cm 3 in an inorganic gas medium or a mixture of inorganic gases at a pressure of 0.1-1.13 Torr for 200-700 s.
Углеродные наночастицы предпочтительно обрабатывать газовой плазмой при частоте электромагнитного поля 13-40 МГц, при мощности электрического разряда 0,05-0,1 Вт/см3, при давлении неорганического газа или смеси неорганических газов 0,3-1,1 Торр в течение 300-500 с.It is preferable to treat carbon nanoparticles with gas plasma at an electromagnetic field frequency of 13-40 MHz, at an electric discharge power of 0.05-0.1 W / cm 3 , at an inorganic gas pressure or a mixture of inorganic gases 0.3-1.1 Torr for 300 -500 s
В качестве углеродных наночастиц могут быть использованы одностенные и/или многостенные нанотрубки наночастицы, выбранные из группы: нановолокна, фибриллы, луковицы, нанороги, фуллерены С60 и/или С70.As carbon nanoparticles, single-walled and / or multi-walled nanotubes of nanoparticles selected from the group of nanofibers, fibrils, bulbs, nanorhs, C 60 and / or C 70 fullerenes can be used.
В качестве матричной среды могут быть использованы растворители, например тетрахлорэтан и хлороформ, органические полимерные сопряженные системы из класса полиимидов, а также жидкие кристаллы из класса цианобифенилов.Solvents, for example, tetrachloroethane and chloroform, organic polymer conjugated systems from the class of polyimides, and also liquid crystals from the class of cyanobiphenyls can be used as a matrix medium.
В части устройства поставленная задача решается тем, что нелинейный ограничитель лазерного излучения включает оптически прозрачную матричную среду, в которой диспергированы углеродные наночастицы в количестве 0,1-1,0 мас.% в качестве сенсибилизирующей добавки, предварительно обработанные газовой плазмой при частоте электромагнитного поля 0,44-40 МГц и при мощности электрического разряда 0,01-0,1 Вт/см3 в среде неорганического газа или смеси неорганических газов при давлении 0,1-1,13 Торр в течение 200-700 с.In terms of the device, the task is solved in that the nonlinear laser radiation limiter includes an optically transparent matrix medium in which carbon nanoparticles are dispersed in an amount of 0.1-1.0 wt.% As a sensitizing additive, pretreated with a gas plasma at an electromagnetic field frequency of 0 , 44-40 MHz and with an electric discharge power of 0.01-0.1 W / cm 3 in an inorganic gas medium or a mixture of inorganic gases at a pressure of 0.1-1.13 Torr for 200-700 s.
Плазменный разряд представляет собой высочастотный неизотермический неравновесный электрический разряд при пониженном давлении в газовой среде. Указанные выше диапазоны параметров плазменного разряда обусловлены тем, что вне этих диапазонов не достигается требуемая обработка углеродных наночастиц.Plasma discharge is a high-frequency non-isothermal nonequilibrium electric discharge at reduced pressure in a gaseous medium. The above ranges of plasma discharge parameters are due to the fact that outside these ranges the required processing of carbon nanoparticles is not achieved.
При частоте электромагнитного поля менее 0,44 и более 40 МГц имеет место другой тип плазменного разряда, при котором не происходит необходимой обработки наночастиц. При мощности плазменного разряда менее 0,01 Вт/см3 отсутствуют условия плазменного разряда, необходимые для активации углеродных наночастиц, а при мощности разряда более 0,1 Вт/см3 возникает очень жесткий плазменный разряд, в котором углеродные наночастицы могут разрушаться - деструктироваться. При давлении газовой среды менее 0,1 Торр углеродные наночастицы могут разрушаться, сгорать во время обработки, а при давлении более 1,13 Торр не происходит необходимая степень обработки наночастиц. При времени обработки менее 200 с степень обработки оказывается недостаточной для активации углеродных наночастиц, а при времени обработки более 700 с углеродные наночастицы разрушаются.When the frequency of the electromagnetic field is less than 0.44 and more than 40 MHz, another type of plasma discharge takes place at which the necessary processing of the nanoparticles does not occur. When the plasma discharge power is less than 0.01 W / cm 3, there are no plasma discharge conditions necessary for the activation of carbon nanoparticles, and when the discharge power is more than 0.1 W / cm 3 , a very hard plasma discharge occurs in which the carbon nanoparticles can be destroyed - decompose. At a gas pressure of less than 0.1 Torr, carbon nanoparticles can be destroyed, burned during processing, and at a pressure of more than 1.13 Torr, the required degree of processing of the nanoparticles does not occur. At a treatment time of less than 200 s, the degree of processing is insufficient to activate carbon nanoparticles, and at a processing time of more than 700 s, the carbon nanoparticles are destroyed.
Предпочтительно использовать углеродные наночастицы, предварительно обработанные газовой плазмой при частоте электромагнитного поля 13-40 МГц, при мощности электрического разряда 0,05-0,1 Вт/см3, при давлении неорганического газа или смеси неорганических газов 0,3-1,1 Торр в течение 300-500 с.It is preferable to use carbon nanoparticles pre-treated with gas plasma at an electromagnetic field frequency of 13-40 MHz, at an electric discharge power of 0.05-0.1 W / cm 3 , at an inorganic gas pressure or a mixture of inorganic gases 0.3-1.1 Torr within 300-500 s.
В оптически прозрачную матричную среду могут быть диспергированы в качестве углеродных наночастиц одностенные и/или многостенные нанотрубки, наночастицы, выбранные из группы: нановолокна, фибриллы, луковицы, нанороги, фуллерены С60 и/или С70.Single-walled and / or multi-walled nanotubes, nanoparticles selected from the group of nanofibers, fibrils, bulbs, nanorogs, C 60 and / or C 70 fullerenes can be dispersed into an optically transparent matrix medium as carbon nanoparticles.
В качестве матричной среды в ограничителе могут быть использованы растворители, например тетрахлорэтан и хлороформ, органические полимерные сопряженные системы из класса полиимидов, а также жидкие кристаллы из класса цианобифенилов.Solvents, for example, tetrachloroethane and chloroform, organic polymer conjugated systems from the class of polyimides, and also liquid crystals from the class of cyanobiphenyls can be used as a matrix medium in the limiter.
В результате плазменной обработки углеродных наночастиц у них активируются, открываются, частично или полностью, закрытые концы, боковая поверхность наночастиц приобретает дефектную структуру, разрываются связи С-С, к наночастицам пришиваются другие активные группы, соответствующие тому составу газов и реагентов, которые используют в процессе плазменной обработки.As a result of plasma treatment of carbon nanoparticles, their closed ends are activated, open, partially or completely, the side surface of the nanoparticles acquires a defective structure, C – C bonds are broken, other active groups are attached to the nanoparticles, corresponding to the composition of gases and reagents used in the process plasma treatment.
Например, при обработке углеродных наночастиц в плазме, содержащей азот, наночастицы приобретают аминные группы, пришитые к углеродной структуре наночастиц. Эти активные дополнительные группы могут играть роль «донора-акцептора» электронов.For example, when processing carbon nanoparticles in a plasma containing nitrogen, the nanoparticles acquire amine groups attached to the carbon structure of the nanoparticles. These active additional groups can play the role of an electron “donor acceptor”.
При введении таких частиц в качестве сенсибилизирующей добавки в оптически прозрачную матричную среду появляется дополнительный механизм взаимодействия излучения, которое попадает на наночастицы, с матрицей - комплексообразование и, как следствие, возникает большое интегральное поглощение излучение в композитном материале за счет поглощения комплекса с переносом заряда между матрицей и активированной наночастицей.When such particles are introduced as a sensitizing additive into an optically transparent matrix medium, an additional mechanism of the interaction of radiation that enters the nanoparticles with the matrix appears - complexation and, as a result, a large integral absorption of radiation in the composite material occurs due to the absorption of the complex with charge transfer between the matrix and activated nanoparticle.
При использовании обработанных в плазме, например, углеродных нанотрубок в качестве сенсибилизатора в оптическом материале создается специфическая ориентированная конфигурация оптической структуры - ориентированные нанотрубки образуют решетку или органический квазифотонный кристалл.When using plasma-treated, for example, carbon nanotubes as a sensitizer in an optical material, a specific oriented configuration of the optical structure is created — oriented nanotubes form a lattice or an organic quasiphoton crystal.
Эти решетки играют роль дополнительного рассеивателя высоких плотностей энергии (потери энергии на дифракцию на решетке из нанотрубок). Такая решетка наблюдалась в жидкокристаллической мезофазе и в твердотельном состоянии в тонкой пленке (полиимид-нанотрубка).These gratings play the role of an additional scatterer of high energy densities (energy losses due to diffraction by a nanotube grating). Such a lattice was observed in the liquid crystal mesophase and in the solid state in a thin film (polyimide-nanotube).
Обработка углеродных наночастиц может производиться на установке, изображенной на чертежах, гдеThe processing of carbon nanoparticles can be performed on the installation depicted in the drawings, where
на фиг.1 показан один из вариантов установки в продольном разрезе;figure 1 shows one of the installation options in longitudinal section;
на фиг.2 приведен другой вариант установки в продольном разрезе;figure 2 shows another installation option in longitudinal section;
на фиг.3 показан первый вариант нелинейного ограничителя лазерного излучения в виде раствора с углеродными наночастицами, помещенными в кварцевую кювету;figure 3 shows a first variant of a nonlinear laser radiation limiter in the form of a solution with carbon nanoparticles placed in a quartz cuvette;
на фиг.4 приведен второй вариант нелинейного ограничителя лазерного излучения в виде тонкопленочной твердотельной системы с углеродными наночастицами;figure 4 shows a second variant of a nonlinear laser radiation limiter in the form of a thin-film solid-state system with carbon nanoparticles;
на фиг.5 показана фотография второго варианта нелинейного ограничителя лазерного излучения;figure 5 shows a photograph of a second variant of a nonlinear laser radiation limiter;
на фиг.6 показан третий вариант нелинейного ограничителя лазерного излучения в виде жидкокристаллической системы с углеродными наночастицами;6 shows a third embodiment of a nonlinear laser radiation limiter in the form of a liquid crystal system with carbon nanoparticles;
на фиг.7 приведены режимы обработки газовой плазмой различных углеродных наночастиц (таблица 1);figure 7 shows the modes of processing gas plasma of various carbon nanoparticles (table 1);
на фиг.8 приведены режимы обработки газовой плазмой различных углеродных наночастиц (продолжение таблицы 1);Fig. 8 shows the modes of gas plasma treatment of various carbon nanoparticles (continuation of table 1);
на фиг.9 приведены технические характеристики изготовленных нелинейных ограничителей лазерного излучения (таблица 2);figure 9 shows the technical characteristics of the manufactured nonlinear laser radiation limiters (table 2);
на фиг.10 приведены технические характеристики изготовленных нелинейных ограничителей лазерного излучения (таблица 2 продолжение);figure 10 shows the technical characteristics of the manufactured nonlinear laser radiation limiters (table 2 continued);
на фиг.11 приведены технические характеристики изготовленных нелинейных ограничителей лазерного излучения (таблица 2 продолжение).figure 11 shows the technical characteristics of the manufactured nonlinear laser radiation limiters (table 2 continued).
Устройство для плазменной обработки (см. фиг.1) включает плазменную камеру 1, снабженную загрузочным бункером 2 и приемным бункером 3 с задвижкой 4. Внутри плазменной камеры 1 размещен транспортирующий механизм 5 в виде надетой на валки 6 транспортерной ленты 7. Один из валков 6 приводится во вращение приводом (на чертеже не показан). Над транспортерной лентой 7 размещен плоский электрод 8, а в качестве второго электрода 9 использован корпус плазменной камеры 1. Электроды 8 и 9 подключены к высокочастотному генератору 10. Держатель 11 электрода 8 пропущен через изолятор 12. Устройство снабжено также несколькими емкостями 13, снабженными вентилями 14, для напуска в плазменную камеру 1 различных неорганических газов, например воздуха, аргона, азота, гелия, кислорода, водорода, неона, ксенона, паров воды и их смесей. Обработку материала осуществляют в течение 200-700 с. Камера 1 соединена через вентиль 15 с вакуумной системой 16 для создания заданного давления в камере 1. Электроды 8 и 9 выполняют из любого известного инертного немагнитного электропроводящего материала, например из меди или алюминия. Плазменная камера 1 снабжена распылителем 17, соединенным через вентиль 18 с системой 19 подачи воды, транспортерная лента 7 снабжена вибратором 20, электрод 8 и стенки камеры 1 выполнены полыми для охлаждения их путем циркуляции хладоносителя, подаваемого через вентиль 21 из емкости 22 и возвращаемого через вентиль 23 (трубопроводы подачи хладоносителя в полость стенок камеры 1 и возврата хладоносителя из полости электрода 8 на чертеже не показаны). В качестве вибратора 20 может быть использован любой известный вибратор: механический, звуковой, ультразвуковой.The plasma processing device (see FIG. 1) includes a
Второй вариант устройства (см. фиг.2) отличается тем, что транспортирующий механизм 5 выполнен в виде лотка 24 из нержавеющей стали, установленного на эксцентриковом приводе 25, при вращении которого лоток 24 совершает одновременные возвратно-поступательные перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях, подбрасывая обрабатываемые углеродные наночастицы 26 и перемещая их в направлении к приемному бункеру 3. Плазменная камера 1 снабжена также емкостью 27 с водой, а лоток 24, соединенный с высокочастотным генератором 10, выполняет функцию второго электрода 9.The second version of the device (see figure 2) is characterized in that the conveying
Предварительно осушенные и очищенные от посторонних примесей наночастицы, такие как одностенные нанотрубки, многостенные нанотрубки, нановолокна, фибриллы, луковицы, нанороги, фуллерены С60, С70, помещают равномерным слоем толщиной не более 1 мм на транспортерную ленту 7 (см. фиг.1) или на лоток 24 с приводом 25 (см. фиг.2) плазменной камеры 1 установки. В камере 1 создают пониженное давление с помощью вакуумной системы 16. Затем в камеру из газовых баллонов 13 через вентили 14 подают неорганический газ или смесь неорганических газов до давления 0,1-1,13 Торр (преимущественно 0,3-1,13 Торр). Подавая на электроды 8 и 9 напряжение от высокочастотного генератора 10, в плазменной камере 1 создают высокочастотный неизотермический неравновесный плазменный разряд при частоте электромагнитного поля 0,44-40 МГц (преимущественно 13-40 МГц) и при мощности электрического разряда 0,01-0,1 Вт/см3 (преимущественно 0,05-0,1 Вт/см3). В качестве неорганического газа могут быть использованы: воздух, аргон, азот, гелий, кислород, водород, неон, ксенон, пары воды и их смеси. Обработку материала осуществляют в течение 200-700 с (преимущественно 300-500 с). Затем плазменный разряд выключают, обработанные углеродные наночастицы выгружают из бункера 3 и вводят в качестве сенсибилизирующей добавки в оптически прозрачную матричную среду в количестве 0,1-1,0 мас.%. В качестве матричной среды могут быть использован тетрахлорэтан, полиимид или жидкие кристаллы.Pre-dried and purified from foreign impurities nanoparticles, such as single-walled nanotubes, multi-walled nanotubes, nanofibers, fibrils, bulbs, nanorogs, fullerenes C 60 , C 70 , are placed in an even layer with a thickness of not more than 1 mm on a conveyor belt 7 (see figure 1 ) or on the
Изображенный на фиг.3 нелинейный ограничитель лазерного излучения выполнен в виде раствора - матричной среды 28 с углеродными наночастицами 29, помещенными в кварцевую кювету 30, закрытую крышкой 31.The nonlinear laser radiation limiter depicted in FIG. 3 is made in the form of a solution — a
В случае использования в качестве матричной среды тетрахлорэтана им заполняли кварцевую кювету 30, вводили в тетрахлорэтан 28 углеродные наночастицы 29 и перемешивали их до получения однородной суспензии. Толщина кюветы 30 может варьироваться в диапазоне 10-100 мм, что позволяет существенно увеличивать степень ослабления излучения.In the case of using tetrachloroethane as the matrix medium, they filled a
Изображенный на фиг.4 нелинейный ограничитель лазерного излучения выполнен в виде пленки 32 полиимида с углеродными наночастицами, сформированной на поверхности пластины 33 из оптически прозрачного материала, например оптического стекла или кварца.The nonlinear laser radiation limiter depicted in FIG. 4 is made in the form of a
В случае использования в качестве матричной среды полиимида полиимид растворяли в растворителе - тетрахлорэтане - в количестве 1-3 вес.%, затем состав наносили на подложку методом центрифугирования и высушивали в течение 10-12 часов до образования однородной пленки 32. Пленка 32 может быть нанесена на пластину 33 толщиной 3-5 мм и может иметь толщину от 3 до 100 мкм, при которой еще сохраняется прозрачность для слабого сигнала. В качестве пластины 33 может быть использовано, например, оптическое стекло или кварц. Фотография такого нелинейного ограничителя лазерного излучения приведена на фиг.5.In the case of using polyimide as a matrix medium, the polyimide was dissolved in a solvent - tetrachloroethane - in an amount of 1-3 wt.%, Then the composition was applied to the substrate by centrifugation and dried for 10-12 hours to form a
Изображенный на фиг.6 нелинейный ограничитель лазерного излучения выполнен в виде жидкой пленки 34 из жидких кристаллов с равномерно распределенными между ними углеродными наночастицами, введенной между двух пластин 35 из оптически прозрачного материала, например оптического стекла или кварца, на внутренние поверхности которых нанесены оптически прозрачные проводящие покрытия 36.The nonlinear laser radiation limiter depicted in FIG. 6 is made in the form of a
В случае использования в качестве матричной среды жидких кристаллов последние втягиваются за счет капиллярных сил в тонкую кювету из двух пластин 35 с предварительно нанесенными на ее противолежащие поверхности проводящими и ориентирующими покрытиями 36. Жидкокристаллическая ячейка может иметь толщину 3-15 мкм. При меньших толщинах может начаться пробой между контактами через жидкие кристаллы.In the case of using liquid crystals as a matrix medium, the latter are drawn due to capillary forces into a thin cuvette of two
Заявляемым способом были изготовлены различные виды нелинейных ограничителей лазерного излучения. С этой целью предварительно осушенные и очищенные от посторонних примесей наночастицы, такие как одностенные нанотрубки (ОСНТ), многостенные нанотрубки (МСНТ), нановолокна (НВ), фибриллы, луковицы, нанороги, фуллерены С60, С70, помещали равномерным слоем толщиной ~1 мм на транспортерную ленту (см. фиг.1) плазменной камеры установки. В камере создавали пониженное давление с помощью вакуумной системы. Затем в камеру из газовых баллонов подавали неорганический газ или смесь неорганических газов: воздух, аргон, азот, кислород, гелий, пары воды и их смеси. В плазменной камере создавали высокочастотный неизотермический неравновесный плазменный разряд. Обработанные углеродные наночастицы выгружали из бункера установки и вводили в качестве сенсибилизирующей добавки в оптически прозрачную матричную среду в количестве 0,1-1,0 мас.%. Режимы обработки различных углеродных наночастиц приведены в таблице 1 на фиг.7 и фиг.8.The inventive method were made of various types of nonlinear laser radiation limiters. For this purpose, nanoparticles preliminarily dried and purified from foreign impurities, such as single-walled nanotubes (SWNTs), multi-walled nanotubes (MWNTs), nanofibers (HB), fibrils, bulbs, nanorogs, C 60 , C 70 fullerenes, were placed in a uniform layer with a thickness of ~ 1 mm on the conveyor belt (see figure 1) of the plasma chamber of the installation. A reduced pressure was created in the chamber using a vacuum system. Then, inorganic gas or a mixture of inorganic gases: air, argon, nitrogen, oxygen, helium, water vapor and mixtures thereof was supplied to the chamber from gas cylinders. A high-frequency non-isothermal nonequilibrium plasma discharge was created in the plasma chamber. Treated carbon nanoparticles were discharged from the installation hopper and introduced as a sensitizing additive into an optically transparent matrix medium in an amount of 0.1-1.0 wt.%. The processing modes of various carbon nanoparticles are shown in table 1 in Fig.7 and Fig.8.
Ниже приведены примеры изготовления нелинейных ограничителей лазерного излучения на основе обработанных плазмой углеродных наночастиц.The following are examples of the manufacture of nonlinear laser radiation limiters based on plasma-treated carbon nanoparticles.
Пример 1. Заполняли тетрахлорэтаном кварцевые кюветы толщиной 10 мм и 100 мм, вводили в тетрахлорэтан обработанные плазмой ОСНТ в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% и перемешивали их до получения однородной суспензии.Example 1.
Пример 2. Заполняли тетрахлорэтаном кварцевые кюветы толщиной 30 мм, вводили в тетрахлорэтан обработанные плазмой МСНТ в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% и перемешивали их до получения однородной суспензии.Example 2. Filled with
Пример 3. Заполняли тетрахлорэтаном кварцевые кюветы толщиной 100 мм, вводили в тетрахлорэтан обработанные плазмой НВ в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% и перемешивали их до получения однородной суспензии.Example 3. Quartz cuvettes with a thickness of 100 mm were filled with tetrachloroethane, plasma-treated HBs were introduced into tetrachloroethane in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% And mixed until a homogeneous suspension was obtained.
Пример 4. Заполняли тетрахлорэтаном кварцевые кюветы толщиной 30 мм, вводили в тетрахлорэтан обработанные плазмой фибриллы в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% и перемешивали их до получения однородной суспензии.Example 4.
Пример 5. Заполняли тетрахлорэтаном кварцевые кюветы толщиной 100 мм, вводили в тетрахлорэтан обработанные плазмой луковицы в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% и перемешивали их до получения однородной суспензии.Example 5. Quartz cuvettes with a thickness of 100 mm were filled with tetrachloroethane, plasma-treated bulbs were introduced into tetrachloroethane in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% And mixed until a homogeneous suspension was obtained.
Пример 6. Заполняли тетрахлорэтаном кварцевые кюветы толщиной 30 мм, вводили в тетрахлорэтан обработанные плазмой нанороги в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% и перемешивали их до получения однородной суспензии.Example 6. A quartz cuvette with a thickness of 30 mm was filled with tetrachloroethane, plasma-treated nanorogs were introduced into tetrachloroethane in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% And mixed until a homogeneous suspension was obtained.
Пример 7. Заполняли тетрахлорэтаном кварцевые кюветы толщиной 10 мм, вводили в тетрахлорэтан обработанный плазмой фуллерен С60 в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% и перемешивали их до получения однородной суспензии.Example 7.
Пример 8. Заполняли тетрахлорэтаном кварцевые кюветы толщиной 30 мм, вводили в тетрахлорэтан обработанный плазмой фуллерен С70 в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% и перемешивали их до получения однородной суспензии.Example 8.
Пример 9. Заполняли тетрахлорэтаном кварцевые кюветы толщиной 100 мм, вводили в тетрахлорэтан обработанную плазмой смесь фуллеренов С60 и С70 в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% и перемешивали их до получения однородной суспензии.Example 9. Quartz cuvettes with a thickness of 100 mm were filled with tetrachloroethane, a plasma-treated mixture of C 60 and C 70 fullerenes was introduced into tetrachloroethane in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% And mixed until a homogeneous suspension was obtained.
Пример 10. Обработанные плазмой ОСНТ в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в полиимид и наносили слоем 50 мкм на подложку из кварца толщиной 3 мм. Состав наносился на подложку методом центрифугирования и высушивался при комнатной температуре в течение 11 часов.Example 10. Plasma-treated SWNTs in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Were introduced into a polyimide and applied with a 50 μm layer on a 3 mm thick quartz substrate. The composition was applied to the substrate by centrifugation and dried at room temperature for 11 hours.
Пример 11. Обработанные плазмой МСНТ в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в полиимид и наносили слоем 3 мкм на подложку из кварца толщиной 3 мм. Состав наносился на подложку методом центрифугирования и высушивался при комнатной температуре в течение 10 часов.Example 11. Plasma-treated MWNTs in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Were introduced into the polyimide and applied with a 3 μm layer on a 3 mm thick quartz substrate. The composition was applied to the substrate by centrifugation and dried at room temperature for 10 hours.
Пример 12. Обработанные плазмой НВ в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в полиимид и наносили слоем 50 мкм на подложку из кварца толщиной 5 мм. Состав наносился на подложку методом центрифугирования и высушивался при комнатной температуре в течение 11 часов. Некоторое увеличение толщины подложки обеспечивало дополнительный отвод тепла через подложку при облучении пленки лазерным излучением наносекундной длительности импульса.Example 12. Plasma-treated HB in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Was introduced into the polyimide and applied with a layer of 50 μm on a 5 mm thick quartz substrate. The composition was applied to the substrate by centrifugation and dried at room temperature for 11 hours. A slight increase in the thickness of the substrate provided additional heat removal through the substrate when the film was irradiated with laser radiation of a nanosecond pulse duration.
Пример 13. Обработанные плазмой фибриллы в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в полиимид и наносили слоем 50 мкм на подложку из кварца толщиной 3 мм. Состав наносился на подложку методом центрифугирования и высушивался при комнатной температуре в течение 11 часов.Example 13. Plasma-treated fibrils in the amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Were introduced into the polyimide and applied with a layer of 50 μm on a 3 mm thick quartz substrate. The composition was applied to the substrate by centrifugation and dried at room temperature for 11 hours.
Пример 14. Обработанные плазмой луковицы в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в полиимид и наносили слоем 50 мкм на подложку из кварца толщиной 3 мм. Состав наносился на подложку методом центрифугирования и высушивался при комнатной температуре в течение 11 часов.Example 14. Plasma-treated bulbs in the amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Were introduced into the polyimide and applied with a layer of 50 μm on a 3 mm thick quartz substrate. The composition was applied to the substrate by centrifugation and dried at room temperature for 11 hours.
Пример 15. Обработанные плазмой нанороги в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в полиимид и наносили слоем 50 мкм на подложку из кварца толщиной 3 мм. Состав наносился на подложку методом центрифугирования и высушивался при комнатной температуре в течение 11 часов.Example 15. Plasma-treated nanorogs in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Were introduced into the polyimide and applied with a layer of 50 μm on a 3 mm thick quartz substrate. The composition was applied to the substrate by centrifugation and dried at room temperature for 11 hours.
Пример 16. Обработанный плазмой фуллерен С60 в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в полиимид и наносили слоем 50 мкм на подложку из кварца толщиной 3 мм. Состав наносился на подложку методом центрифугирования и высушивался при комнатной температуре в течение 11 часов.Example 16. Plasma-treated fullerene C 60 in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Was introduced into the polyimide and applied with a layer of 50 μm on a 3 mm thick quartz substrate. The composition was applied to the substrate by centrifugation and dried at room temperature for 11 hours.
Пример 17. Обработанные плазмой фуллерен С70 в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в полиимид и наносили слоем 100 мкм на подложку из кварца толщиной 3 мм. Состав наносился на подложку методом центрифугирования и высушивался при комнатной температуре в течение 12 часов.Example 17. Plasma-treated fullerene C 70 in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Was introduced into the polyimide and applied with a layer of 100 μm on a 3 mm thick quartz substrate. The composition was applied to the substrate by centrifugation and dried at room temperature for 12 hours.
Пример 18. Обработанную плазмой смесь фуллеренов С60 и С70 в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в полиимид и наносили слоем 50 мкм на подложку из кварца толщиной 3 мм. Состав наносился на подложку методом центрифугирования и высушивался при комнатной температуре в течение 11 часов.Example 18. A plasma-treated mixture of C 60 and C 70 fullerenes in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Was introduced into the polyimide and applied with a 50 μm layer on a 3 mm thick quartz substrate. The composition was applied to the substrate by centrifugation and dried at room temperature for 11 hours.
Пример 19. Обработанные плазмой ОСНТ в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в жидкие кристаллы и полученный состав помещали в зазор между пластинами ячейки толщиной 10 мкм.Example 19. Plasma-treated SWNTs in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Were introduced into liquid crystals and the resulting composition was placed in the gap between the plates of the cell with a thickness of 10 μm.
Пример 20. Обработанные плазмой МСНТ в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в жидкие кристаллы и полученный состав помещали в зазор между пластинами ячейки толщиной 10 мкм.Example 20. Plasma-treated MWNTs in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Were introduced into liquid crystals and the resulting composition was placed in the gap between the plates of the cell with a thickness of 10 μm.
Пример 21. Обработанные плазмой НВ в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в жидкие кристаллы и полученный состав помещали в зазор между пластинами толщиной 10 мкм.Example 21. Plasma-treated HB in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Was introduced into liquid crystals and the resulting composition was placed in the gap between the plates with a thickness of 10 μm.
Пример 22. Обработанные плазмой фибриллы в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в жидкие кристаллы и полученный состав помещали в зазор между пластинами ячейки толщиной 10 мкм.Example 22. Plasma-treated fibrils in the amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Were introduced into liquid crystals and the resulting composition was placed in the gap between the plates of the cell with a thickness of 10 μm.
Пример 23. Обработанные плазмой луковицы в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в жидкие кристаллы и полученный состав помещали в зазор между пластинами ячейки толщиной 15 мкм.Example 23. Plasma-treated bulbs in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Were introduced into liquid crystals and the resulting composition was placed in the gap between the plates of the cell with a thickness of 15 μm.
Пример 24. Обработанные плазмой нанороги в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в жидкие кристаллы и полученный состав помещали в зазор между пластинами ячейки толщиной 10 мкм.Example 24. Plasma-treated nanorogs in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Were introduced into liquid crystals and the resulting composition was placed in the gap between the plates of the cell with a thickness of 10 μm.
Пример 25. Обработанный плазмой фуллерен С60 в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в жидкие кристаллы и полученный состав помещали в зазор между пластинами ячейки толщиной 15 мкм.Example 25. Plasma-treated fullerene C 60 in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Was introduced into liquid crystals and the resulting composition was placed in the gap between the plates of the cell with a thickness of 15 μm.
Пример 26. Обработанный плазмой фуллерен С70 в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в жидкие кристаллы и полученный состав помещали в зазор между пластинами ячейки толщиной 10 мкм.Example 26. Plasma-treated fullerene C 70 in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Was introduced into liquid crystals and the resulting composition was placed in the gap between the plates of the cell with a thickness of 10 μm.
Пример 27. Обработанную плазмой смесь фуллеренов С60 и С70 в количестве 1,0 мас.% и 0,1 мас.% вводили в жидкие кристаллы и полученный состав помещали в зазор между пластинами ячейки.Example 27. A plasma-treated mixture of C 60 and C 70 fullerenes in an amount of 1.0 wt.% And 0.1 wt.% Was introduced into liquid crystals and the resulting composition was placed in the gap between the cell plates.
В примерах 19-27 ориентация жидкокристаллической матрицы обеспечивалась нанесенными на противолежащие поверхности пластин ячейки оптически прозрачными проводящими покрытиями. Состав вводился в зазор жидкокристаллической ячейки за счет капиллярных сил. В качестве жидких кристаллов использовали кристаллы из класса цианобифенилов.In examples 19-27, the orientation of the liquid crystal matrix was provided by optically transparent conductive coatings deposited on opposite surfaces of the cell plates. The composition was introduced into the gap of the liquid crystal cell due to capillary forces. Crystals from the class of cyanobiphenyls were used as liquid crystals.
Технические характеристики изготовленных нелинейных ограничителей лазерного излучения приведены в таблице 2 на фиг.9, фиг.10 и фиг.11.The technical characteristics of the manufactured nonlinear laser radiation limiters are shown in table 2 in Fig. 9, Fig. 10 and Fig. 11.
Экспериментальная установка для изучения нелинейного пропускания заявляемых нелинейных ограничителей лазерного излучения была аналогичной той, что описана в статье (N.V.Kamanina, I.V.Bagrov, I.M.Belousova, S.O.Kognovitskii, A.P.Zhevlakov - «Fullerene-doped π-conjugated organic systems under infrared laser irradiation» - Opt. Commun. - v.194, nos.4-6, pp.367-372, 2001). Измерения пропускания образцов ограничителей в зависимости от уровня плотности энергии падающего излучения проводились на длинах волн 337 нм, 532 нм, 805 нм, 1080 нм и 1315 нм. Использовались: квази-непрерывный азотный лазер, вторая гармоника импульсного лазера на калий-гадолиниевом вольфромате, квазинепрерывный титан-сапфировый лазер, импульсный YAG-Nd3+-лазер и иодный фотодиссоциативный лазер. Диаметр пятна на передней плоскости ограничителя составлял 3.5, 3, 0.2, 1 и 2 мм соответственно. Длительность импульса накачки была 10 нс в первых двух случаях, составляла 70 фс для излучения титан-сапфирового лазера, была 10 нс для YAG-Nd3+-лазера и составляла 50 нс при использовании излучения йодного лазера. Переключение добротности резонатора осуществлялось пассивным затвором, выполненным на основе LiF. Расходимость излучения составляла ~1 мрад по уровню 0.5 полной энергии. Энергии на выходе из лазера и выходе из ограничителя измерялись с помощью измерителей энергии лазерного излучения. Для варьирования уровня энергии использовались калиброванные светофильтры, а также набор линз.The experimental setup for studying the nonlinear transmission of the claimed nonlinear laser radiation limiters was similar to that described in the article (NVKamanina, IVBagrov, IMBelousova, SOKognovitskii, APZhevlakov - "Fullerene-doped π-conjugated organic systems under infrared laser irradiation" - Opt. Commun. - v. 194, nos. 4-6, pp. 367-372, 2001). The transmission measurements of the limiter samples depending on the level of energy density of the incident radiation were carried out at wavelengths of 337 nm, 532 nm, 805 nm, 1080 nm and 1315 nm. We used: a quasi-continuous nitrogen laser, the second harmonic of a pulsed potassium gadolinium tungsten laser, a quasicontinuous titanium-sapphire laser, a pulsed YAG-Nd 3+ laser, and an iodine photodissociative laser. The diameter of the spot on the front plane of the limiter was 3.5, 3, 0.2, 1, and 2 mm, respectively. The pump pulse duration was 10 ns in the first two cases, it was 70 fs for the radiation of a titanium-sapphire laser, it was 10 ns for a YAG-Nd 3+ laser, and it was 50 ns when using iodine laser radiation. The resonator Q-factor was switched by a passive shutter made on the basis of LiF. The radiation divergence was ~ 1 mrad at the 0.5 total energy level. The energies at the exit from the laser and at the exit from the limiter were measured using laser energy meters. To vary the energy level, calibrated filters and a set of lenses were used.
Анализ реализации работы нелинейных ограничителей, указанных в примерах таблицы 2, сделан при использовании лазерного излучения различной длины волны.An analysis of the implementation of the nonlinear limiters indicated in the examples of Table 2 was made using laser radiation of various wavelengths.
Излучение с длиной волны 337 нм использовалось для того, чтобы реализовать поглощение матричных компонентов на основе полиимида и жидкого кристалла. Однако начальное пропускание систем было ниже 50%, что обусловлено интенсивным поглощением органических матриц в синей и УФ-области спектра за счет активации возбуждения оптических электронов.Radiation with a wavelength of 337 nm was used to realize the absorption of matrix components based on polyimide and liquid crystal. However, the initial transmission of the systems was below 50%, which is due to the intense absorption of organic matrices in the blue and UV spectral regions due to activation of the excitation of optical electrons.
Излучение с длиной волны 532 нм использовалось, чтобы реализовать механизм обратного насыщенного поглощения самих молекул фуллеренов С60 и С70 при реализации работы долгоживущего триплетного канала, когда длительность импульса возбуждения (10-50 нс) превосходит время синглет-триплетной интерконверсии (1.2 нс).Radiation with a wavelength of 532 nm was used to realize the mechanism of back saturated absorption of the C 60 and C 70 fullerenes themselves when the long-lived triplet channel is realized, when the excitation pulse duration (10-50 ns) exceeds the singlet-triplet interconversion time (1.2 ns).
Излучение с длиной волны 805 нм использовалось, чтобы реализовать процесс гибридизации электронных оболочек и инициировать фотоинжекцию электронов за счет снятия запрещения с запрещенных переходов молекул фуллеренов при интенсивном лазерном воздействии.Radiation with a wavelength of 805 nm was used to realize the hybridization of electron shells and initiate photo-injection of electrons by removing the prohibition of forbidden transitions of fullerene molecules under intense laser irradiation.
Излучение с длиной волны 1080 нм использовалось по следующим причинам: вблизи работы на данной длине волны реализуется механизм двухфотонного поглощения молекул фуллеренов С60 и С70; вблизи работы на данной длине волны реализуется механизм многофотонного поглощения используемой органической матрицы из класса полиимидов; вблизи данной длины волны реализуется механизм многофотонного поглощения используемой органической жидкокристаллической матрицы из класса цианобифенилов.Radiation with a wavelength of 1080 nm was used for the following reasons: near the work at this wavelength, a two-photon absorption mechanism of C 60 and C 70 fullerenes molecules is realized; near work at a given wavelength, the mechanism of multiphoton absorption of the used organic matrix from the class of polyimides is realized; near this wavelength, the mechanism of multiphoton absorption of the used organic liquid crystal matrix from the class of cyanobiphenyls is realized.
Излучение с длиной волны 1315 нм использовалось, чтобы реализовать механизм комплексообразования между полиимидом и фуллеренами, а также использовать управление ограничением за счет близости спектра ксеноновой лампы накачки йодного лазера и резонансных переходов фуллереновых молекул.Radiation with a wavelength of 1315 nm was used to realize the mechanism of complexation between polyimide and fullerenes, as well as to use control of the restriction due to the proximity of the spectrum of the xenon pump lamp of the iodine laser and the resonance transitions of fullerene molecules.
Кроме того, следует заметить, что для молекул С60 основной механизм обратного насыщенного поглощения, а значит, и эффект оптического ограничения излучения, действует в диапазоне длин волн 400-700 нм; при λ<400 нм сечение поглощения с основного состояния больше такового с возбужденных синглетных и триплетных состояний, при λ>700 нм сечение поглощения с основного состояния становится слишком малым. Для фуллерена С70 и выше ограничение излучения может быть объяснено механизмом обратного насыщенного поглощения даже в более длинноволновой области, чем 700 нм. Данный спектральный диапазон может быть расширен до λ>700 нм и для фуллерена С60. Действительно, в пленках с молекулами С60 и С70 происходит фотоиндуцированное увеличение поглощения в области оптических переходов 1.6, то есть на длине волны 800 нм, запрещенных в нейтральных молекулах, за счет лазерного воздействия. Данное фотоиндуцированное увеличение поглощения происходит при фотоинжекции электронно-дырочных пар при облучении структур лазерным излучением. То есть, оптическое возбуждение позволяет создавать в пленках с фуллеренами малые изменения концентрации носителей, однородные по объему пленки. Поглощение на этих носителях увеличивает интегральное поглощение систем в области ближнего ИК-диапазона спектра.In addition, it should be noted that for C 60 molecules, the main mechanism of back saturated absorption, and hence the effect of optical radiation limitation, acts in the wavelength range of 400-700 nm; at λ <400 nm, the absorption cross section from the ground state is greater than that from excited singlet and triplet states; at λ> 700 nm, the absorption cross section from the ground state becomes too small. For fullerene C 70 and higher, the radiation limitation can be explained by the mechanism of back saturated absorption even in the longer wavelength region than 700 nm. This spectral range can be expanded to λ> 700 nm for fullerene C 60 . Indeed, in films with C 60 and C 70 molecules, a photo-induced increase in absorption occurs in the region of optical transitions 1.6, i.e., at a wavelength of 800 nm, which is forbidden in neutral molecules due to laser irradiation. This photoinduced increase in absorption occurs upon photoinjection of electron – hole pairs upon irradiation of structures with laser radiation. That is, optical excitation makes it possible to create small changes in the concentration of carriers in films with fullerenes that are uniform in volume of the film. Absorption on these carriers increases the integrated absorption of systems in the near-infrared region of the spectrum.
Заявляемый нелинейный ограничитель позволяет работать в более широком спектральной диапазоне за счет реализации дополнительного механизма поглощения, связанного с возбуждением свободных носителей заряда и получать существенно более высокую степень ограничения излучения ближнего ИК-диапазона спектра.The inventive nonlinear limiter allows you to work in a wider spectral range due to the implementation of an additional absorption mechanism associated with the excitation of free charge carriers and to obtain a significantly higher degree of limitation of radiation in the near infrared spectrum.
Кроме того, заявляемый нелинейный ограничитель имеет высокую временную стабильность. Например, нелинейные ограничители в виде жидкокристаллических ячеек и пленок на основе полиимидов, изготовленные несколько лет назад, до сих пор работоспособны, при этом их спектр, лазерные и динамические характеристики сохранились неизменными.In addition, the claimed nonlinear limiter has a high temporal stability. For example, nonlinear limiters in the form of liquid crystal cells and polyimide-based films manufactured several years ago are still operational, while their spectrum, laser and dynamic characteristics have remained unchanged.
Claims (22)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006114138/28A RU2306586C1 (en) | 2006-04-27 | 2006-04-27 | Method for manufacturing non-linear limiter of laser radiation and a non-linear limiter of laser radiation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006114138/28A RU2306586C1 (en) | 2006-04-27 | 2006-04-27 | Method for manufacturing non-linear limiter of laser radiation and a non-linear limiter of laser radiation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2306586C1 true RU2306586C1 (en) | 2007-09-20 |
Family
ID=38695386
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006114138/28A RU2306586C1 (en) | 2006-04-27 | 2006-04-27 | Method for manufacturing non-linear limiter of laser radiation and a non-linear limiter of laser radiation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2306586C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2555503C1 (en) * | 2013-12-17 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Optical passive limiter of passing radiation |
| RU2705383C1 (en) * | 2019-01-23 | 2019-11-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук | Method for nonlinear optical power limitation based on an aqueous suspension of carbon nanotubes |
-
2006
- 2006-04-27 RU RU2006114138/28A patent/RU2306586C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2555503C1 (en) * | 2013-12-17 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Optical passive limiter of passing radiation |
| RU2705383C1 (en) * | 2019-01-23 | 2019-11-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук | Method for nonlinear optical power limitation based on an aqueous suspension of carbon nanotubes |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sun et al. | Broadband optical limiting with multiwalled carbon nanotubes | |
| Wang et al. | Carbon nanotubes and nanotube composites for nonlinear optical devices | |
| Link et al. | Shape and size dependence of radiative, non-radiative and photothermal properties of gold nanocrystals | |
| Chen et al. | Preparation of carbon nanoparticles with strong optical limiting properties by laser ablation in water | |
| Hasan et al. | Nanotube–polymer composites for ultrafast photonics | |
| Ganeev et al. | Investigation of nonlinear refraction and nonlinear absorption of semiconductor nanoparticle solutions prepared by laser ablation | |
| Elim et al. | Ultrafast absorptive and refractive nonlinearities in multiwalled carbon nanotube films | |
| KR20080098664A (en) | Modified carbon nanotubes and method of forming carbon nanotubes | |
| Gadhwal et al. | A review on the development of optical limiters from homogeneous to reflective 1-D photonic crystal structures | |
| Tamulaitis et al. | Optical nonlinearities of glass doped with PbS nanocrystals | |
| Konda et al. | High harmonic generation from laser-induced plasmas of Ni-doped CsPbBr3 nanocrystals: implications for extreme ultraviolet light sources | |
| Syed et al. | Giant nonlinear optical response in triple cation halide mixed perovskite films | |
| Mikheev et al. | Saturable absorption in suspensions of single-digit detonation nanodiamonds | |
| Nevar et al. | Carbon nanodots with tunable luminescence properties synthesized by electrical discharge in octane | |
| Rahman et al. | Design and evaluation of carbon nanotube based optical power limiting materials | |
| Zheng et al. | Controllable formation of luminescent carbon quantum dots mediated by the Fano resonances formed in oligomers of gold nanoparticles | |
| EP3881138A1 (en) | An alkali metal vapor enclosure | |
| RU2306586C1 (en) | Method for manufacturing non-linear limiter of laser radiation and a non-linear limiter of laser radiation | |
| Sugiyama et al. | Size and phase control in quinacridone nanoparticle formation by laser ablation in water | |
| Kajzar et al. | Nonlinear optical properties of fullerenes | |
| Satapathy et al. | Thermalization of fluorescent protein exciton–polaritons at room temperature | |
| Fu et al. | Low-and high-order nonlinear optical properties of Ag2S quantum dot thin films | |
| Zhang et al. | Recent research progress on optical limiting property of materials based on phthalocyanine, its derivatives, and carbon nanotubes | |
| ES2955252T3 (en) | Acousto-optic modulator | |
| Konda et al. | Third-order nonlinear optical effects of silver nanoparticles and third harmonic generation from their plasma plumes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080428 |