Савельев М.С.

Исследование материалов ограничителей лазерного излучения на основе
углеродных нанотрубок методом Z-сканирования
Савельев Михаил Сергеевич, Герасименко Александр Юрьевич
аспирант; докторант, к.ф.-м.н.
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Национальный исследовательский университет
«МИЭТ», факультет ЭКТ, Зеленоград, Россия
E–mail: sm-s88@mail.ru
Использование лазерных устройств и злоупотребление ими в гражданских условиях
(ослепление пилотов при заходе на посадку) вызывает необходимость в ограничителях
лазерного излучения большой мощности. Широко используемые фильтры для
ослабления излучения на основе поглощения или интерференционных эффектов
работают только в узких диапазонах длин волн и, как правило, имеют низкое линейное
пропускание. Именно по этим причинам они не могут применяться для решения задачи
ограничения лазерного излучения. Поэтому были предложены материалы ограничителей
лазерного излучения (лимитеров), основанные на нелинейных оптических механизмов
(нелинейного поглощения, нелинейной рефракции, индуцированного рассеяния), чтобы
обеспечить широкополосную лазерную защиту, не нарушая цвета передачи [1, 2]. Для
обеспечения лучших характеристик данных устройств, требуются материалы,
обладающие сильным нелинейным ослаблением лазерного излучения. Однако, остается
не решенной задача сравнения материалов ограничителей лазерного излучения с целью
определения наиболее эффективного из-за разных условий эксперимента:
- применение линз с разным фокусным расстоянием;
- использование образцов разной толщины d;
- применение лазерного излучения с разной энергией, длительностью импульса и
радиусом пучка.
Для решения описанной задачи была разработана программа для расчета
коэффициента  (см·Вт-1) – нелинейного поглощения и w0 (см·ГВт-1) – радиуса пучка в
перетяжке по данным Z-сканирования. По значению  можно определить материал,
обладающий наилучшим оптическим ограничением.
Прохождение импульсного излучения через среду с нелинейным поглощением (I)
можно описать уравнением переноса излучения (УПИ) [3], благодаря чему не
конкретизируются нелинейные механизмы взаимодействия лазерных импульсов с
нелинейной средой, а также можно учесть радиальный профиль луча лазера, форму
импульса во времени и толщину слоя вещества ограничителя. В работе учтены первые
два слагаемых: (I)=+I, где коэффициенты  (см-1) - линейного и  (см·Вт-1) нелинейного поглощения.
С помощью методики Z-сканирования с открытой диафрагмой было проведено
исследование материалов содержащих углеродные нанотрубки (табл. 1) при
использовании лазера с длительностью импульса =7 нс на двух длинах волн: =532 нм
и =1064 нм. А именно:
- многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) в диметилформамиде (ДМФА);
- МУНТ в тетрагидрофуране (ТГФ);
- однослойные углеродные нанотрубки (ОУНТ) в тетрагидрофуране (ТГФ);
- МУНТ в полиметилметакрилате (ПММА);
- ОУНТ в ПММА.
Для всех материалов были одновременно определены радиус пучка в перетяжке w0 и
нелинейный коэффициент поглощения . Пример кривых полученных при Zсканировании представлен на рис.1.
(а)
(б)
Рисунок 1 Кривые Z-сканирования для многослойных углеродных нанотрубок
(МУНТ) в диметилформамиде (ДМФА) на длине волны =532 нм (а), =1064 нм (б).
«*» - экспериментальные данные, «-» - расчетные данные
Таблица 1 Расчет нелинейного коэффициента
перетяжке по результатам Z-сканирования
U0 ,
№
,
d,
Вещество
п/п
нм
см
мкДж
1.
МУНТ в ДМФА
124
0,20
2.
МУНТ в ТГФ
114
0,20
3.
532
МУНТ в ПММА
120
0,54
4.
ОУНТ в ТГФ
124
0,20
5.
ОУНТ в ПММА
120
0,50
6.
МУНТ в ДМФА
122
0,20
7.
МУНТ в ДМФА
122
0,20
1064
8.
МУНТ в ПММА
122
0,54
9.
ОУНТ в ПММА
122
0,50
поглощения и радиуса пучка в
T,
,
%
68
64
67
70
72
70
55
60
60
см
1,9
2,2
0,7
1,8
0,7
1,8
3,0
0,9
1,0
-1
w0 ,
мкм
20
20
19
20
20
24
25
22
23
,
см·Вт-1
52
99
2,8
74
2,7
63
69
0,5
1,6
Из таблицы 1 видно, что наилучшим нелинейным ограничением обладает материал
на основе МУНТ в ТГФ, коэффициент  = 99 см·Вт-1. На основании полученных данных
можно сделать вывод, что дисперсные среды (ДМФА, ТГФ) обладают нелинейным
ограничением лазерного излучения, превосходящим ограничение в твердых материалах
на основе ПММА. Также стоит отметить, что в дисперсных средах преобладает
ослабление пропускания в основном за счет механизма рассеяния.
Работа выполнена при поддержке стипендии Президента РФ (СП-2477.2012.4)
Список литературы
1.
Виденичев Д.А., Волынкин В.М., Веденяпина Ж..Б., Кисляков И.М., Муранова
Г.А., Муравьева Т.Д., Рыжов А.А., Белоусова И.М., Данилов О.Б. Модули защиты глаз
от лазерного излучения в наблюдательных приборах // Оптический журнал. 2013, Том
80, №1, с. 24 – 33.
2.
Ritt G., Dengler S., Eberle B. Protection of optical systems against laser radiation //
Proceedings of SPIE. 2009, Vol. 7481, p. 74810U-1 – 74810U-9.
3.
Терещенко С.А., Подгаецкий В.М., Герасименко А.Ю., Савельев М.С.
Исследование нелинейных характеристик ограничителей интенсивности мощного
оптического излучения // Оптика и спектроскопия. 2014, Том. 116, №3, с. 486 – 494.