RU2705383C1

RU2705383C1 - Method for nonlinear optical power limitation based on an aqueous suspension of carbon nanotubes

Info

Publication number: RU2705383C1
Application number: RU2019101871A
Authority: RU
Inventors: Роман Юрьевич Кривенков; Татьяна Николаевна Могилева; Константин Георгиевич Михеев; Василий Михайлович Стяпшин; Александр Владимирович Окотруб; Геннадий Михайлович Михеев
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2019-11-07

Abstract

FIELD: instrument making; optics.

SUBSTANCE: invention relates to optical instrument-making and can be used in optical devices and means of protecting organs of vision from powerful radiation. Method of nonlinear optical power limitation based on an aqueous suspension of carbon nanotubes involves passing a directed radiation flux in series through a collecting lens and an optical cell filled with an aqueous suspension of carbon nanotubes and placed in the focal point of the collecting lens. Optical cuvette is placed in a thermostat and the suspension temperature is maintained within range of 38–50 °C.

EFFECT: technical result consists in reduction of threshold energy density of nonlinear optical power limitation in water suspension of carbon nanotubes.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в оптических приборах и средствах защиты органов зрения от действия мощного излучения.The invention relates to optical instrumentation and can be used in optical instruments and means of protecting the organs of vision from the action of powerful radiation.

Известен способ нелинейно-оптического ограничения мощности, при котором направленный поток излучения последовательно пропускают через собирающую линзу, оптическую кювету, заполненную суспензией из наноуглеродных частиц луковичной структуры в диметилформамиде и расположенную в фокусе собирающей линзы, а далее через коллимирующую линзу. [Михеев Г.М., Могилева Т.Н., Кузнецов В.Л., Булатов Д.Л. Устройство для ограничения светового потока // Патент РФ на изобретение №2403599. Бюл. №31. 2010.]There is a method of nonlinear optical power limitation, in which a directed radiation flux is sequentially passed through a collecting lens, an optical cuvette filled with a suspension of nanocarbon particles of the onion structure in dimethylformamide and located at the focus of the collecting lens, and then through a collimating lens. [Mikheev G.M., Mogileva T.N., Kuznetsov V.L., Bulatov D.L. A device for limiting the light flux // RF patent for the invention No. 2403599. Bull. No. 31. 2010.]

Недостатком данного способа является то, что при достаточно большой интенсивности светового потока происходит просветление указанной суспензии в точке фокусировки за счет индуцированных светом химических реакций, вследствие чего требуется применение источника неоднородного магнитного поля для выталкивания просветленной фракции суспензии из зоны взаимодействия. Другим недостатком является применение в качестве дисперсионной среды диметилформамида, являющегося опасным для человека веществом.The disadvantage of this method is that at a sufficiently high intensity of the light flux, the specified suspension is clarified at the focal point due to chemical reactions induced by light, which requires the use of a source of an inhomogeneous magnetic field to push the enlightened fraction of the suspension from the interaction zone. Another disadvantage is the use of dimethylformamide as a dispersion medium, which is a substance hazardous to humans.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ нелинейно-оптического ограничения мощности на основе водной суспензии углеродных нанотрубок, включающий пропускание направленного потока излучения последовательно через собирающую линзу и оптическую кювету, заполненную водной суспензией углеродных нанотрубок и размещенную в фокусе собирающей линзы, в котором водная суспензия углеродных нанотрубок имеет комнатную температуру [Vivien L., Lancon P., Riehl D., Hache F., Anglaret E. Carbon nanotubes for optical limiting // Carbon. 2002. Vol. 40, №10. P. 1789-1797].The closest in technical essence to the claimed is a method of nonlinear optical power limitation based on an aqueous suspension of carbon nanotubes, which includes passing a directed radiation flux sequentially through a collecting lens and an optical cuvette filled with an aqueous suspension of carbon nanotubes and placed at the focus of the collecting lens in which the aqueous suspension carbon nanotubes has room temperature [Vivien L., Lancon P., Riehl D., Hache F., Anglaret E. Carbon nanotubes for optical limiting // Carbon. 2002. Vol. 40, No. 10. P. 1789-1797].

Недостатком указанного способа является относительно высокая пороговая плотность энергии (порог) нелинейно-оптического ограничения мощности в используемой суспензии - плотность энергии падающего излучения, при которой нелинейный коэффициент пропускания суспензии уменьшается на 10 процентов относительно коэффициента линейного пропускания, - что снижает практическую применимость способа в области излучений с малой интенсивностью. Кроме того, используемые в способе углеродные нанотрубки без специальной обработки образуют водные суспензии со слабой коллоидной устойчивостью, быстро выпадающие в осадок.The disadvantage of this method is the relatively high threshold energy density (threshold) of the nonlinear optical power limitation in the suspension used - the incident radiation energy density at which the nonlinear transmittance of the suspension decreases by 10 percent relative to the linear transmittance, which reduces the practical applicability of the method in the field of radiation with low intensity. In addition, carbon nanotubes used in the method without special treatment form aqueous suspensions with weak colloidal stability, which rapidly precipitate.

Задачей изобретения является разработка способа нелинейно-оптического ограничения мощности на основе водной суспензии углеродных нанотрубок с меньшей пороговой плотностью энергии нелинейно-оптического ограничения мощности.The objective of the invention is to develop a method of nonlinear optical power limitation based on an aqueous suspension of carbon nanotubes with a lower threshold energy density of nonlinear optical power limitation.

Сущность изобретения заключается в том, что в отличие от известного способа нелинейно-оптического ограничения мощности на основе водной суспензии углеродных нанотрубок, включающего пропускание направленного потока излучения последовательно через собирающую линзу и оптическую кювету, заполненную водной суспензией углеродных нанотрубок и размещенную в фокусе собирающей линзы, оптическую кювету помещают в термостат и поддерживают температуру суспензии в пределах от 38 до 50°С.The essence of the invention lies in the fact that, in contrast to the known method of nonlinear optical power limitation based on an aqueous suspension of carbon nanotubes, including passing a directed radiation flux sequentially through a collecting lens and an optical cell filled with an aqueous suspension of carbon nanotubes and placed at the focus of the collecting lens, an optical the cuvette is placed in a thermostat and the temperature of the suspension is maintained in the range from 38 to 50 ° C.

Предпочтительным является способ, в котором водную суспензию готовят из углеродных нанотрубок, на поверхности которых сформированы кислородсодержащие группы, способствующие образованию коллоидного раствора нанотрубок в воде.Preferred is a method in which an aqueous suspension is prepared from carbon nanotubes, on the surface of which oxygen-containing groups are formed, which contribute to the formation of a colloidal solution of nanotubes in water.

Техническим результатом изобретения является уменьшение пороговой плотности энергии нелинейно-оптического ограничения мощности в водной суспензии углеродных нанотрубок.The technical result of the invention is to reduce the threshold energy density of the nonlinear optical power limitation in an aqueous suspension of carbon nanotubes.

Фиг. 1 показывает способ нелинейно-оптического ограничения мощности на основе водной суспензии углеродных нанотрубок по данному изобретению: 1 - оптическая кювета с водной суспензией углеродных нанотрубок; 2 - термостат, 3 - блок управления термостатом; 4 - собирающая линза; штриховые линии - направленный поток излучения.FIG. 1 shows a method of nonlinear optical power limitation based on an aqueous suspension of carbon nanotubes according to this invention: 1 - an optical cell with an aqueous suspension of carbon nanotubes; 2 - thermostat, 3 - thermostat control unit; 4 - collecting lens; dashed lines - directed radiation flux.

Фиг. 2 показывает схему измерения нелинейно-оптических свойств водной суспензии углеродных нанотрубок методом z-сканирования при нагреве: 5 - платформа; 6 - однокоординатный столик; 7 - лазер; 8 - плоскопараллельная оптическая делительная пластина; 9 - поглощающий экран; 10, 12, 13 - нейтральные светофильтры; 11, 14 - фотоприемники; штрих-пунктирные линии - ход луча лазера; +Z, 0, -Z -положительное направление, начало отсчета и отрицательное направление оси z сфокусированного лазерного пучка соответственно (z=0 в перетяжке пучка).FIG. 2 shows a diagram for measuring the nonlinear optical properties of an aqueous suspension of carbon nanotubes by z-scanning during heating: 5 — platform; 6 - one-coordinate table; 7 - laser; 8 - plane-parallel optical dividing plate; 9 - absorbing screen; 10, 12, 13 - neutral light filters; 11, 14 - photodetectors; dash-dotted lines - the course of the laser beam; + Z, 0, -Z is the positive direction, the origin, and the negative direction of the z axis of the focused laser beam, respectively (z = 0 in the beam waist).

Фиг. 3 показывает экспериментальные зависимости нормированного коэффициента пропускания Т_норм водной суспензии многослойных углеродных нанотрубок от нормированной координаты z/z₀ (а) и от плотности энергии падающего излучения D (б), полученные при температуре t равной 23, 31, 40 и 90°С: точки - эксперимент; кривые -аппроксимирующие функции.FIG. 3 shows the experimental dependences of the normalized transmittance T of the _{norms of an} aqueous suspension of multilayer carbon nanotubes on the normalized coordinate z / z ₀ (a) and on the incident radiation energy density D (b), obtained at a temperature t equal to 23, 31, 40, and 90 ° C: points are an experiment; curves approximating functions.

Фиг. 4 показывает зависимость пороговой плотности энергии D_пор нелинейно-оптического ограничения мощности в водной суспензии многослойных углеродных нанотрубок от температуры: точки - эксперимент; кривая - аппроксимирующая функция.FIG. Figure 4 shows the temperature dependence of the threshold energy density D _{pore of the} nonlinear optical power limitation in an aqueous suspension of multilayer carbon nanotubes: points — experiment; the curve is an approximating function.

Способ нелинейно-оптического ограничения мощности на основе водной суспензии углеродных нанотрубок по данному изобретению осуществляется следующим образом. Оптическую кювету 1 с водной суспензией углеродных нанотрубок (Фиг. 1) помещают в оснащенный входным и выходным оптическими окнами термостат 2, которым управляют при помощи блока 3 управления термостатом, и поддерживают температуру суспензии в пределах от 38 до 50°С. Помещенную в термостат кювету размещают в фокусе собирающей линзы 4. Направленный поток излучения последовательно пропускают через собирающую линзу и оптическую кювету. При превышении плотности энергии направленного потока в точке фокусировки над пороговой происходит нелинейно-оптическое ограничение мощности проходящего через кювету излучения. В случае необходимости волновой фронт проходящего излучения корректируют с помощью коллимирующей линзы, объектива или иной оптической системы.The method of nonlinear optical power limitation based on an aqueous suspension of carbon nanotubes according to this invention is as follows. An optical cuvette 1 with an aqueous suspension of carbon nanotubes (Fig. 1) is placed in a thermostat 2 equipped with inlet and outlet optical windows, which is controlled by the thermostat control unit 3, and the suspension temperature is maintained in the range from 38 to 50 ° C. The cuvette placed in the thermostat is placed at the focus of the collecting lens 4. The directed radiation flux is sequentially passed through the collecting lens and the optical cuvette. When the energy density of the directed flow exceeds the threshold at the focusing point, a nonlinear optical limitation of the power of the radiation passing through the cell occurs. If necessary, the wavefront of the transmitted radiation is corrected using a collimating lens, objective, or other optical system.

Нелинейно-оптическое ограничение мощности является нелинейным эффектом, при котором коэффициент пропускания среды нелинейно уменьшается с увеличением интенсивности падающего излучения. Пороговая плотность энергии нелинейно-оптического ограничения мощности в водных суспензиях углеродных нанотрубок определяется образованием паровых пузырьков, приводящим к нелинейному рассеянию света и уменьшению коэффициента пропускания среды. Согласно этому механизму порог нелинейно-оптического ограничения мощности зависит от температуры кипения воды и температуры самой суспензии. При этом нагрев воды и ее парообразование происходят за счет получения тепла от наночастиц, хорошо поглощающих падающее излучение.Nonlinear optical power limitation is a nonlinear effect, in which the transmission coefficient of the medium nonlinearly decreases with increasing incident radiation intensity. The threshold energy density of the nonlinear optical power limitation in aqueous suspensions of carbon nanotubes is determined by the formation of vapor bubbles, which leads to nonlinear light scattering and a decrease in the transmittance of the medium. According to this mechanism, the threshold of nonlinear optical power limitation depends on the boiling temperature of water and the temperature of the suspension itself. In this case, the heating of water and its vaporization occur due to the generation of heat from nanoparticles, which well absorb incident radiation.

В работе [Yu Н., Kim S. W. Temperature effects in an optical limiter using carbon nanotube suspensions // Journal of the Korean Physical Society. 2005. Vol. 47, №4. P. 610-614] показано, что с увеличением температуры эффективность нелинейно-оптического ограничения мощности в суспензиях многослойных углеродных нанотрубок в воде возрастает. Однако из-за относительно большого разброса экспериментальных данных точная зависимость пороговой плотности энергии от температуры в указанной работе отсутствует. С помощью оригинальной лазерной системы z-сканирования нами впервые с высокой точностью измерена зависимость порога нелинейно-оптического ограничения мощности в водной суспензии многослойных углеродных нанотрубок от температуры.In [Yu N., Kim S. W. Temperature effects in an optical limiter using carbon nanotube suspensions // Journal of the Korean Physical Society. 2005. Vol. 47, No. 4. P. 610-614] it is shown that with increasing temperature the efficiency of the nonlinear optical power limitation in suspensions of multilayer carbon nanotubes in water increases. However, due to the relatively large scatter of experimental data, the exact dependence of the threshold energy density on temperature is absent in this work. Using an original z-scan laser system, we first measured with high accuracy the temperature dependence of the threshold of nonlinear optical power limitation in an aqueous suspension of multilayer carbon nanotubes.

Многослойные углеродные нанотрубки были синтезированы методом электродугового испарения графита. Большинство нанотрубок имело диаметр от 15 до 20 нм и длину менее 1 мкм. Для очистки их от наночастиц аморфного углерода, нанографита и стеклоуглерода, а также для придания способности образовывать устойчивые суспензии в воде использовалась химическая обработка [Окотруб А.В., Юданов Н.Ф., Алексашин В.М., Булушева Л.Г., Комарова О.А., Костас У.О., Гевко П.Н., Антюфеева Н.В., Ильченко С.И., Гуняев Г.М. Исследование термических и механических свойств композитов из электродуговых углеродных нанотруб и термостойкого связующего на основе цианового эфира // Высокомолекулярные соединения. Сер. А. 2007. Т. 49, №6. С. 1049-1055]. При этом в результате окисления нанотрубок в растворе перманганата калия в серной кислоте на их поверхности сформировались кислородсодержащие группы, способствующие образованию коллоидного раствора нанотрубок в воде. Полученные водные суспензии углеродных нанотрубок показали высокую стабильность во времени. Например, у суспензии с концентрацией 0,01 вес. % за время хранения при комнатной температуре в течение 7 лет отсутствовали признаки седиментации.Multilayer carbon nanotubes were synthesized by the method of electric arc evaporation of graphite. Most nanotubes had a diameter of 15 to 20 nm and a length of less than 1 μm. To clean them from nanoparticles of amorphous carbon, nanographite and glassy carbon, as well as to give the ability to form stable suspensions in water, chemical treatment was used [Okotrub A.V., Yudanov N.F., Aleksashin V.M., Bulusheva L.G., Komarova O.A., Kostas U.O., Gevko P.N., Antyufeeva N.V., Ilchenko S.I., Gunyaev G.M. Investigation of the thermal and mechanical properties of composites made of carbon electric carbon nanotubes and a heat-resistant binder based on cyanide ether // High Molecular Compounds. Ser. A. 2007.V. 49, No. 6. S. 1049-1055]. Moreover, as a result of the oxidation of nanotubes in a solution of potassium permanganate in sulfuric acid, oxygen-containing groups were formed on their surface, which contribute to the formation of a colloidal solution of nanotubes in water. The resulting aqueous suspensions of carbon nanotubes showed high stability over time. For example, a suspension with a concentration of 0.01 weight. % during storage at room temperature for 7 years there were no signs of sedimentation.

Z-сканирование исследуемой суспензии проводилось по оптической схеме, представленной на Фиг. 2. Термостат с оптической кюветой, заполненной исследуемой суспензией, помещался на платформе 5 однокоординатного столика 6. С помощью специального электронного блока управления термостатом температура в нем поддерживалась на заранее заданном уровне с точностью ±0,5°С. Кювета герметично закрывалась во избежание интенсивного испарения воды при нагреве. Рабочая толщина кюветы составляла 1 мм, концентрация суспензии равнялась 0,001 вес. %. Кювета, размещенная в термостате, была наклонена под углом 45° к падающему лучу лазера, чтобы исключить влияние интерференции лазерных пучков, отраженных от лицевой и тыльной поверхностей кюветы, на измеряемый коэффициент нелинейного пропускания суспензии в ходе z-сканирования. Линейный коэффициент пропускания суспензии на длине волны 532 нм составлял 65%, а плотность энергии падающего излучения в перетяжке равнялась 0,35 Дж/см². В качестве лазерной накачки использовалось импульсное, с длительностью импульса 13,6 нс и длиной волны 532 нм излучение второй гармоники одномодового одночастотного YAG:Nd³⁺-лазера 7 с пассивной модуляцией добротности. Сначала лазерный пучок пропускали через установленную под углом падения 45° плоскопараллельную оптическую делительную пластину 8 такой толщины, чтобы отраженные от ее лицевой и тыльной поверхностей лучи лазера были разделены в пространстве. Это предотвращало интерференцию отраженных пучков и поддерживало постоянство коэффициента отражения от указанных поверхностей при скачкообразном изменении продольной моды резонатора лазера. Отраженный от тыльной поверхности пластины пучок гасили поглощающим экраном 9. Пучок, отраженный от лицевой поверхности, после ослабления нейтральным светофильтром 10 направляли на опорный калиброванный фотоприемник 11 для измерения энергии Е_вх падающих на кювету лазерных импульсов. Лазерный пучок, прошедший через делительную пластину, ослабляли с помощью нейтрального светофильтра 12 и фокусировали на кювету длиннофокусной собирающей линзой с фокусным расстоянием 0,15 м. Диаметр пучка в перетяжке составлял 68 мкм. При перемещении кюветы вдоль оси z сфокусированного лазерного пучка определяли энергию Е_вых лазерных импульсов, прошедших через кювету. Для этого ослабленное нейтральным светофильтром 13 излучение лазера регистрировали сигнальным калиброванным фотоприемником 14.Z-scanning of the test suspension was carried out according to the optical scheme shown in FIG. 2. The thermostat with an optical cuvette filled with the test suspension was placed on the platform 5 of the single-coordinate stage 6. Using a special electronic control unit for the thermostat, the temperature in it was maintained at a predetermined level with an accuracy of ± 0.5 ° C. The cuvette was hermetically sealed to prevent intense evaporation of water during heating. The working thickness of the cuvette was 1 mm, the concentration of the suspension was 0.001 weight. % The cuvette placed in the thermostat was tilted at an angle of 45 ° to the incident laser beam in order to exclude the influence of the interference of laser beams reflected from the front and back surfaces of the cuvette on the measured coefficient of non-linear transmittance of the suspension during z-scanning. The linear transmittance of the suspension at a wavelength of 532 nm was 65%, and the energy density of the incident radiation in the waist was 0.35 J / cm ² . As a laser pump, we used pulsed, with a pulse duration of 13.6 ns and a wavelength of 532 nm, second-harmonic radiation from a single-mode single-frequency YAG: Nd ³⁺ laser 7 with passive Q-switching. First, the laser beam was passed through a plane-parallel optical dividing plate 8 set at an incidence angle of 45 ° so thick that the laser beams reflected from its front and back surfaces were separated in space. This prevented the interference of reflected beams and maintained the constancy of the reflection coefficient from these surfaces with a stepwise change in the longitudinal mode of the laser cavity. Reflected from the rear surface of the plate beam quenched absorbing barrier 9. The beam reflected from the front surface, after loosening the neutral density filter 10, sent to a reference photodetector 11, calibrated to measure the energy E _Rin incident on the cuvette laser pulses. The laser beam passing through the dividing plate was attenuated using a neutral light filter 12 and focused on the cuvette with a long-focusing collecting lens with a focal length of 0.15 m. The beam diameter in the waist was 68 μm. When moving the cuvettes along the z axis of a focused laser beam is determined by the energy E _O laser pulses passing through the cuvette. For this, the laser radiation attenuated by the neutral light filter 13 was recorded by a calibrated signal detector 14.

Показания фотоприемников позволили для каждой нормированной координаты z/z₀ (z₀=πw₀ ²/λ - длина Рэлея, λ - длина световой волны, w₀ - радиус перетяжки сфокусированного лазерного пучка) определить нормированный коэффициент пропускания Т_норм=Т/Т₀ водной суспензии многослойных углеродных нанотрубок, где Т=Е_вых/Е_вх - коэффициент нелинейного пропускания суспензии, Т₀ - линейный коэффициент пропускания суспензии, измеренный относительной идентичной кюветы с дистиллированной водой. Экспериментальные зависимости Т_норм(z/z₀) (Фиг. 3, а), полученные при различных температурах, имеют минимум при z равном нулю и симметричны относительно этой точки. Соответствующие им зависимости Т_норм от плотности энергии падающего излучения (Фиг. 3, б) свидетельствуют об уменьшении порога нелинейно-оптического ограничения мощности с увеличением температуры суспензии. Представленная на Фиг. 4 зависимость порога нелинейно-оптического ограничения мощности от температуры показывает, что увеличение температуры суспензии всего на 17°С от комнатной приводит к существенному уменьшению порога. При этом, как видно из Фиг. 4, в диапазоне температур от 40 до 90°С значение D_пор остается практически без изменений, то есть дальнейшее уменьшение порога с ростом температуры отсутствует.The readings of the photodetectors allowed for each normalized coordinate z / z ₀ (z ₀ = πw ₀ ² / λ is the Rayleigh length, λ is the light wavelength, w ₀ is the waist radius of the focused laser beam) to determine the normalized transmittance T _norms = T / T ₀ aqueous suspension of multilayer carbon nanotubes, where T = E _o / E _in - the coefficient of non-linear transmittance of the suspension, T ₀ - linear transmittance of the suspension, measured relative identical cell with distilled water. The experimental dependences of T _norms (z / z ₀ ) (Fig. 3, a) obtained at different temperatures have a minimum at z equal to zero and are symmetrical with respect to this point. The corresponding dependences of T _norms on the energy density of the incident radiation (Fig. 3, b) indicate a decrease in the threshold of nonlinear optical power limitation with increasing temperature of the suspension. Presented in FIG. 4, the dependence of the threshold of nonlinear optical power limitation on temperature shows that an increase in the suspension temperature by only 17 ° C from room temperature leads to a significant decrease in the threshold. Moreover, as can be seen from FIG. 4, in the temperature range from 40 to 90 ° C, the D _pore value remains practically unchanged, that is, there is no further decrease in the threshold with increasing temperature.

Полученную зависимость D_пор(t) можно объяснить следующим образом. Углеродные нанотрубки в суспензии находятся во взвешенном состоянии благодаря силе взаимного электростатического отталкивания. Вблизи поверхности нанотрубок образуется двойной электрический слой и молекулы воды, расположенные в этой области, находятся в своего рода потенциальной яме. Это означает, что часть энергии импульса лазерного излучения, поглощаемая молекулами воды, находящимися вблизи углеродных нанотрубок, расходуется на преодоление этого потенциального барьера. С учетом данного обстоятельства энергия ΔQ, требуемая для превращения воды массой Δm в пар, равняется:The obtained dependence D _p (t) can be explained as follows. Carbon nanotubes in suspension are in suspension due to the force of mutual electrostatic repulsion. A double electric layer is formed near the surface of the nanotubes, and water molecules located in this region are in a kind of potential well. This means that part of the energy of the laser pulse absorbed by water molecules located near carbon nanotubes is spent on overcoming this potential barrier. Given this circumstance, the energy ΔQ required to convert water of mass Δm into steam is equal to:

где Q₁ - энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера на двойном электрическом слое; Q₂ и Q₃ - энергии, необходимые для нагрева до температуры кипения и для превращения в пар соответственно; Q₂=ΔmΔtC, Q₃=ΔmL, Δt - разность между температурой суспензии в исходном состоянии и температурой кипения, С - удельная темплоемкость, L - удельная теплота парообразования воды. Ввиду малой концентрации углеродных нанотрубок в исследуемой суспензии можно считать, что ее удельная теплоемкость и температура кипения мало отличаются от соответствующих значений для воды. С учетом табличный значений С=4183 Дж/(кг⋅°С) и L=2258 кДж/кг и полагая, что Δt=77°С (разница между комнатной температурой и температурой кипения воды), получаем Q₂ существенно меньше Q₃. Очевидно, что при увеличении температуры суспензии значение Q₁ стремится к нулю, что приводит к соответствующему уменьшению D_пор. При некоторой температуре t_крит энергия Q₁ становится равной нулю. При всех других температурах t больше t_крит энергия Q₁ остается равной нулю и, в соответствии с относительной малостью Q₂, пороговая плотность энергии тоже остается практически без изменений. Все это хорошо согласуется с результатами, представленными на Фиг. 4.where Q ₁ is the energy necessary to overcome the potential barrier on the double electric layer; Q ₂ and Q ₃ are the energies necessary for heating to a boiling point and for conversion to steam, respectively; Q ₂ = ΔmΔtC, Q ₃ = ΔmL, Δt is the difference between the suspension temperature in the initial state and the boiling point, C is the specific heat, L is the specific heat of vaporization of water. Due to the low concentration of carbon nanotubes in the suspension under study, we can assume that its specific heat and boiling point differ little from the corresponding values for water. Given the tabular values of C = 4183 J / (kg⋅ ° C) and L = 2258 kJ / kg and assuming that Δt = 77 ° C (the difference between room temperature and boiling point of water), we obtain Q ₂ substantially less than Q ₃ . Obviously, with increasing temperature of the suspension, the value of Q ₁ tends to zero, which leads to a corresponding decrease in D _pores . At a certain temperature t _{crit, the} energy Q ₁ becomes equal to zero. At all other temperatures t greater than t _{crit, the} energy Q ₁ remains equal to zero and, in accordance with the relative smallness of Q ₂ , the threshold energy density also remains practically unchanged. All this is in good agreement with the results presented in FIG. four.

Таким образом, из полученных данных следует, что порог нелинейно-оптического ограничения мощности в водной суспензии углеродных нанотрубок, находящейся при комнатной температуре, более чем в три раза уменьшается при ее нагреве до 40°С. Дальнейшее увеличение температуры до 90°С приводит к едва заметному изменению пороговой плотности энергии. Это объясняется влиянием потенциальной энергии двойного электрического слоя и удельной теплоты парообразования на возникновение пузырьков пара, приводящее к нелинейному рассеянию света. Все вышесказанное гарантирует возможность достижения заявленного технического результата.Thus, it follows from the obtained data that the threshold of nonlinear optical power limitation in an aqueous suspension of carbon nanotubes at room temperature decreases by more than three times when it is heated to 40 ° C. A further increase in temperature to 90 ° C leads to a barely noticeable change in the threshold energy density. This is explained by the influence of the potential energy of the double electric layer and the specific heat of vaporization on the formation of vapor bubbles, which leads to nonlinear light scattering. All of the above guarantees the possibility of achieving the claimed technical result.

Claims

1. A method of nonlinear optical power limitation based on an aqueous suspension of carbon nanotubes, comprising passing a directed radiation flux sequentially through a collecting lens and an optical cuvette, filled with an aqueous suspension of carbon nanotubes and placed at the focus of the collecting lens, characterized in that the optical cuvette is placed in a thermostat and maintain the temperature of the suspension in the range from 38 to 50 ° C.

2. The method according to p. 1, characterized in that the aqueous suspension is prepared from carbon nanotubes, on the surface of which oxygen-containing groups are formed, which contribute to the formation of a colloidal solution of nanotubes in water.