CC BY
131
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОГОВЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
И БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ТОНКОПЛЁНОЧНЫХ ТЕРМООПТИЧЕСКИХ ЗАТВОРОВ В ВИДИМОМ И ИК ДИАПАЗОНАХ СПЕКТРА
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, заведующий кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Владимир Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор-консультант кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Валерий Андреевич Райхерт
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ведущий инженер кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Сергей Леонидович Шергин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Денис Вячеславович Кочкарев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Дмитрий Михайлович Никулин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Максим Викторович Кузнецов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, техник кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Игорь Олегович Михайлов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)343-29-29, e-mail: [email protected]
Описаны методики измерения времени срабатывания и пороговых энергетических характеристик пассивных тонкоплёночных термооптических затворов. Представлены результаты испытаний таких затворов в диапазоне длин волн (0,5-10) мкм.
Ключевые слова: пассивный термооптический затвор, порог срабатывания, тонкие плёнки, быстродействие.
THE EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THRESHOLD ENERGETIC PROPERTIES AND RAPIDITY OF ACTION THIN FILM THERMO-OPTICAL SHUTTERS IN VISIBLE AND IR DIAPASON OF LIGHT
Dmitry V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Chair of Nanosystems and Optical Engineering Department, tel. (383)343-29-29, e-mail: [email protected]
Vladimir V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Sciences, Professor of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Valery A. Reichert
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Engineer of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Sergey L. Shergin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Associated prof. of Physics department, tel. (383)361-08-36, email: [email protected]
Denis V. Kochkarev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plahotnogo St., engineer of department of physics, tel. (383)3610836, e-mail: [email protected]
Dmitry M. Nikulin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St.,
Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of Physics department, tel. (383)361-08-36, e-
mail: [email protected]
Maksim V. Kuznetsov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St.,
technician of Physics department, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Igor O. Mihajlov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St.,
Candidate of Technical Sciences, Associated prof. of Nanosystems and Optical Engineering Department,
tel. (383)343-29-29, e-mail: [email protected]
The technique of measuring operating time and threshold energetic properties of passive thin-film thermo-optical shutters are shown. The results of testing such shutters in wavelength diapason (0,5-10) p,m are present.
Key words: passive thermo-optical shutter, operation threshold, thin films, rapidity of action.
Проблема оптического ограничения интенсивности лазерных излучений, необходимого для защиты глаз наблюдателей и чувствительных приёмников излучений от ослепления, весьма актуальна [1-10].
2
В статьях [1-9] рассматриваются оптико-физические и технологические аспекты нелинейно-опптических ограничителей, использующих фуллереносодержащие среды и среды с углеродными наночастицами. Созданы ограничители излучений видимого диапазона спектра, срабатывающие (ограничивающие) при энергии наносекундного импульса падающего излучения порядка (0,1-1,0) Дж/см , частоте следования импульсов до 10 Гц и допустимой энергии импульса не более (2-
В патентной литературе представлены описания быстродействующих затворов на основе прожигаемых сфокусированным мощным лазерным излучением тонких зеркальных металлических плёнок [10,11], также используемых для ограничения энергии импульса излучения, падающего на приёмные устройства. Такие затворы могут обладать меньшей величиной порога срабатывания (перехода в режим нелинейно-оптического ограничения), чем фуллероидные, устойчивы, в отличие от фуллероидных, под воздействием высокочастотных импульсно-периодических лазерных облучений.
В данной работе описываются методики измерения параметров тонкоплёночных ограничителей - затворов и представлены результаты испытаний таких затворов в диапазоне (0,5-10) мкм длин волн. Особенности некоторых усовершенствованных конструкций затворов и предпочтительные оптические схемы их использования рассмотрены в нашей работе [12].
Используется многослойная тонкоплёночная структура, сформированная на поверхности прозрачной в необходимом диапазоне спектра подложки, например, на поверхности полимерной мембраны (рис. 1).
На металлической рамке в форме кольца закреплена мембрана из нитроцеллюлозы, на поверхности которой нанесены слои магния толщиной 0,01 мкм (нижний слой) и висмута 0,04 мкм.
Верхний слой структуры является нелинейно-оптическим зеркалом, проявляющим переключающие свойства при наносекундном облучении, при котором его температура повышается до высокого значения (до плавления или испарения), что инициирует резкое уменьшение коэффициента отражения зеркала. Мембрана помещается в плоскости промежуточного
5) Дж/см2 [1,5,6,9].
\ Ромка
Рис. 1. Конструкция мембранного ограничителя излучений видимого и ИК диапазонов спектра
действительного изображения наблюдаемой сцены, формируемого оптикой наблюдательного устройства.
Оптико-механическая схема устройства для измерения времени запаздывания срабатывания и порогов срабатывания тонкоплёночных затворов приведена на рис. 2. Устройство в своём составе имеет лазерный твердотельный излучатель на Nd:YAG с длиной волны 1,06 мкм и возможностью удвоения частоты излучения, длительность импульса излучения 20 нс, телескоп - расширитель лазерного пучка, приёмник излучения с постоянной времени 0,2 нс и цифровой осциллограф с полосой пропускания 500 МГц. Зеркальный объектив 3 диаметром 100 мм формирует на поверхности исследуемого затвора 4 промежуточное действительное изображение излучения лазерного пучка излучателя 1, входным окном объектива является область диаметром 60 мм. выходным окном - область диаметром 30 мм, обе области и исследуемый образец размещены в пределах входной апертуры сферического объектива. Второе действительное изображение формируется на поверхности фотоприёмника 7 дополнительным объективом 6. Фотоприёмник 7 является в данном устройстве подвергаемым лучевому повреждению объектом. В момент прожигания прозрачного отверстия в тонкой плёнке затвора 4 излучение непрерывного «зелёного» лазера 8 проходит к приёмнику 10, длительность переднего фронта возникшего светового импульса измеряется и характеризует инерционность затвора.
X!
а) 1
Рис. 2. Оптико-механическая схема устройства измерения параметров тонкоплёночного затвора: а - оптико-механическая схема; б - расположение входной и выходной апертур объектива в плоскости входного зрачка
устройства
4
1 - лазерный импульсный излучатель с длиной волны 1,06 мкм, длительностью импульса 25 нс, 2 - расширитель лазерного пучка, 3 - сферическое зеркало объектива, 4 - исследуемый тонкоплёночный затвор, 5 - глухое зеркало, 6 -объектив фотоприёмника, 7 - фотоприёмник, 8 - лазерный непрерывный излучатель с длиной волны 0,56 мкм, 9 - фокусирующая линза, 10 -быстродействующий фотоприёмник, 11 - поворотное полупрозрачное зеркало,
12 - оптический фильтр,
13 - быстродействующий фотодиод
При измерении параметров защитных функций затвора одновременно с помощью двух фотоприёмников и двухканального осциллографа измеряются интенсивности падающего и прошедшего к фотоприёмнику отражённого от поверхности ограничителя излучений.
Устройство позволяет измерять времена задержки срабатывания до 0,3 нс и форму импульса падающего излучения и прошедшего к приёмнику с разрешением до 0,2 нс.
Фотография оптической головки измерительного устройства показана на рис. 3.
Рис. 3. Фотография оптической головки измерения динамических параметров оптического ограничителя
Для измерения параметров тонкоплёночного затвора при облучении излучением с длиной волны 10 мкм использовался импульсный лазерный излучатель на С02 с длительностью импульса 40 нс.
При измерении параметров образец затвора облучался одиночными импульсами лазерного излучения; после измерений измерялась площадь повреждённого участка зеркальной плёнки затвора и вычислялось значение интенсивности падающего при срабатывании на затвор лазерного излучения. Энергетический порог нелинейного процесса в фокальной плоскости получался пересчётом полученных значений интенсивности пороговой мощности срабатывания. Так как ограничитель срабатывает за время т, много меньшее длительности импульса падающего излучения, энергия срабатывания (энергетический порог нелинейного процесса) много меньше энергии импульса падающего излучения и равна Е = Рт (в данном случае при т = 0,5 нс равна Е = 2,5 -10“7 Дж).
Определялось значение пороговой мощности облучения, при которой происходило срабатывание ограничителя. При мощности падающего на плёнку ограничителя излучения Р = 170 Вт ограничитель срабатывал - в
плёнке возникало сквозное отверстие, обследованием на микроскопе
8 2
измерена площадь отверстия ^ = 10 м . Расчётом получаем величину пороговой интенсивности облучения в фокальной плоскости объектива, вызывающей срабатывание ограничителя /п = 1,7 106 Вт/см2. Для определения интенсивности лазерного излучения, падающего из окружающего пространства на наблюдательное устройство и вызывающего повреждение чувствительного сенсора, пересчитываем полученный результат на интенсивность излучения в плоскости входного зрачка объектива; при диаметре входного зрачка 60 мм имеем /вхП = 0,18 Вт/см .
Плотность энергии срабатывания на входной апертуре фотоприёмника определяется пересчётом значения энергетического порога нелинейного процесса на плотность энергии ЕВХуд срабатывания на входной апертуре
4Е
объектива фотоприёмника: имеем ЕВХд =-^ = 8,84 • 10"11 Дж/см2.
Быстродействие ограничителя (время срабатывания) экспериментально определялось косвенным методом, сравнением длительностей импульсов падающего излучения и прошедшего структуру в результате срабатывания ограничителя; разница длительностей равна постоянной времени срабатывания ограничителя.
Теоретические расчёты ожидаемого времени срабатывания ограничителя дают следующие результаты. Приняты следующие параметры модели взаимодействия излучения со структурой затвора: сфокусированный пучок лазерного излучения, падающий на подложку, имеет гауссовское распределение интенсивности по сечению; импульс излучения производит переключение состояний затвора своим передним фронтом; излучение на переднем фронте импульса нарастает линейно с течением времени;
теплофизические параметры структуры плёнка на подложке, таковы, что в связи в связи с большой скоростью нарастания интенсивности в падающем излучении и малым временем процессов испарения металла в фокальном пятне можно пренебречь отводом выделившегося в плёнке тепла в подложку, считать плёнку полубесконечной средой.
Для расчётов по такой модели может быть применена формула [13]:
T ( 0,0, t ) = ^4т v ’ K л
d2
4У-1
4у-d2
+1
arctg
2 (у-) d
2 (У-) d
Здесь
2 (у-) d
K и у - коэффициенты теплопроводности и
I
температуропроводности, d - гауссовский радиус фокального пятна, —”
скорость нарастания интенсивности поглощённого излучения; I (0, t) =
1
Imt
-1
I (r, t ) = I (0, t) exp(-r2 / d2). В связи с малостью величин
2 (У-) d
и
4у-
d2
в
сравнении с единицей, указанная формула может быть упрощена:
2 и3/2
T (0,0, t ) =
!n у
K л1/2-1 х
1/2
(2)
При использовании в качестве слоя структуры плёнки висмута на кварцевой подложке (К = 7 Вт/(м • К), х = 6,15-10_6 м2/с, Тпл = 271,2 °С ) получим значение времени достижения плёнкой температуры плавления:
13/2 = T КлИ А.
- 1пл 1/2
2у In
(3)
При скорости нарастания интенсивности поглощённого излучения
Вт
получим значение времени достижения
!_ / - = = 1020
2
м2хс
10 “ с
плёнкой температуры плавления 3,8 -10"10 с. Это значение близко к полученному экспериментально.
Гуссово распределение интенсивности падающего излучения в фокальном пятне на поверхности зеркальной плёнки затвора приводит к тому, что теряет зеркальность только центральная часть облучаемой области. Периферийная часть отражает излучение к защищаемому фотоприёмнику и попадает на его поверхность также на периферийной области второго действительного изображения лазерного повреждающего потока; интенсивность падающего излучения на периферии существенно меньше
порога повреждения фоточувствительной поверхности приёмника. Увеличение интенсивности ослепляющего луча приводит к расширению повреждаемой на плёнке затвора области, но зашита пикселей фотоприёмника в периферийных областях фокального пятна сохраняется.
Измерение допустимой частоты повторения импульсов облучения производилось включением импульсного облучающего структуры ограничителя лазера на необходимую частоту и контролем изменений параметров ограничителя в сравнении с режимом облучения одиночными импульсами.
Лучевая прочность определялась облучением образцов, установленных в фокальной плоскости объектива, мощными импульсами и последующим исследованием структур ограничителей на возможность лучевых повреждений под оптическим микроскопом с увеличением 600*.
Технический ресурс вычислялся как количество импульсов облучающего излучения, приводящих к повреждению 10 % площади светового диаметра Dвx ограничителя по формуле:
лО2
N = . (4)
ч
Здесь 8и - площадь повреждения тонкоплёночной структуры за один импульс облучения.
В табл. 1 приведены измеренные или рассчитанные по результатам экспериментов значения параметров тонкоплёночного затвора на длине волны
1,06 мкм.
Таблица 1
Параметры противоослепляющего тонкоплёночного затвора
Наименование параметра Ед. изм. Измеренное или определённое значение
Длина волны мкм 1,06
Время срабатывания нс 0,3-0,5
Энергетический порог срабатывания нДж 15
Пропускание в линейном режиме % 70
Частота повторения ослепляющих импульсов при нормальной работе ограничителя Гц До 1000
Лучевая прочность Дж/см2 20 - 50
Световой диаметр затвора мм 15
Плотность энергии срабатывания затвора, пересчитанная на входную апертуру защищаемого наблюдательного устройства Дж/см2 4,810-10
Технический ресурс ИО* 5,4104
Исследованные образцы имеют значение порога ограничения энергии ослепляющего импульса (1,5...5)-10" Дж на длине волны испытаний
1,06 мкм, время запаздывания действия ограничения менее 1 нс, лучевую прочность до 50 Дж/см . Оценочные испытания затворов на длине волны 10 мкм показали их работоспособность при длительности лазерного импульса 40 нс.
Выводы:
Представленные в настоящем сообщении результаты исследования лабораторных образцов тонкоплёночных затворов подтверждают их работоспособность в диапазоне спектра (1-10) мкм, устойчивость к полям импульсного высокочастотного - тысячи герц - лазерного облучения, конкурентоспособность данного вида средств защиты чувствительных приёмников излучения от лучевого повреждения случайными лазерными импульсами в сравнении с ограничителями на основе сред с фуллеренами и наночастицами.
Авторы выражают благодарность за неоценимую помощь коллегам из Лаборатории лазерной техники и технологий НИ ТПУ (г. Томск) и лично её руководителю, профессору Владимиру Папиловичу Ципилеву.
Представленные результаты получены при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России при выполнении ГК № 14.513.12.0001 от 28.02.2013 г. (шифр 2013-1.3-14-513-0018-047).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Белоусова И.М., Данилов О.Б., Сидоров А.И. Нелинейно-оптические ограничители лазерного излучения // Оптический журнал. - 2009. - Т: 76, № 4. - С. 71-85.
2. Каманина Н.В., Плеханов А.И. Механизмы ограничения оптического излучения фуллерено содержащих к-сопряженных органических структур на примере молекулы полиимида и COANP // Оптика и спектроскопия. - 2002. - Т. 93, № 3.
3. Фуллерены: структурные, физикохимические и нелинейно-оптические свойства / Белоусов В.П. и др. // Оптический журнал. -1997. - Т. 64, №12.
4. Fullerene-Based Large-Area Passive Filters / Kost A. et al. // Pros. SPIE. - 1994. - Vol. 2284. - P. 208 - 219.
5. Нелинейно-оптические ограничители лазерного излучения на суспензиях углеродных и фуллероидных наночастиц / Белоусова И.М. и др. // Оптический журнал. -2004. - Т. 71, № 3.
6. Каманина Н.В., Шека Е.Ф. Ограничители лазерного излучения и дифракционные элементы на основе системы COANP - фуллерен: нелинейно-оптические свойства и квантово-химическое моделирование // Оптика и спектроскопия. - 2004. - Т. 96, № 4.
7. О механизме оптического ограничения лазерного излучения фуллереносодержащими средами / Белоусов В.П. и др. // Оптика и спектроскопия. - 1999. - Т. 87, № 5.
8. High-efficiesy multipass optical limiter / Barbosa M.M. et al. // Optics Letters. - 2003. -V. 28. No. 3.
9. Каманина Н.В. Фотофизика фуллереносодержащих сред: ограничители лазерного излучения, дифракционные элементы, диспергированные жидкокристаллические модуляторы света. // Нанотехника. -2006. - №1. - С.86-97.
10. Cohn , et al. Electromagnetic energy diversion device wherein pellicle oblates responsive to very strong power density. U S Patent 4,719,342. January 12, 1988
11. Koechner. High intensity laser radiation protection. U S Patent 4,917,481. Apr. 17,
1990.
12. Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Шлишевский В.Б. Плёночные пассивные оптические затворы для защиты приёмников изображения от ослепления // Оптический журнал. - 2011. - Т.78, № 6. - С.39-46.
13. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов. - М.: Мир, 1986 - 504 с.
© Д. В. Чесноков, В. В. Чесноков, В. А. Райхерт, С. Л. Шергин, Д. В. Кочкарев,
Д. М. Никулин, М. В. Кузнецов, И. О. Михайлов, 2014
