Способ ограничения интенсивности лазерного излучения

Способ ограничения интенсивности лазерного излучения

Реферат

Изобретение относится к области оптической техники и может найти применение для защиты глаз и оптических систем, в частности приемников лазерного излучения, от разрушающего действия высокоинтенсивного падающего лазерного излучения.

Известен способ ограничения лазерного излучения из патента РФ №2350991, МПК G01F 1/355, публ. 27.03.2009 г., согласно которому поток ЛИ направляют на вход устройства, ограничивающего мощность лазерного излучения, состоящего из корпуса, ориентированного вдоль направления распространения падающего ЛИ, с собирающими линзами, размещенными на торцах корпуса, и содержащего внутреннюю полость, объем которой заполнен лимитирующим веществом - расслаивающимся раствором триэтиламина, обладающим нелинейным поглощением, концентрации C_paб=(32±2)масс. %, при рабочей температуре раствора менее его критической температуры (τ_раб<τ_кр=18,163°С), или водным раствором 2-бутоксиэтанола, концентрации С_раб=(30±2)масс.%, при рабочей температуре раствора менее его критической температуры (τ_раб<τ_кр=48,272°C).

Недостатком известного способа является сравнительно невысокая эффективность ограничения входного ЛИ, зависящая от критической температуры лимитирующих веществ, находящихся во внутренней полости корпуса. При достаточно высокой мощности на входе ограничителя интенсивности ЛИ происходит разрушение лимитирующих веществ и выход из строя всей оптической системы.

Известен патент РФ №2403599, МПК G02B 26/02, опубл. 10.11.2010 г. в качестве прототипа заявляемого способ ограничения интенсивности ЛИ, согласно которому поток ЛИ направляют на вход устройства, ограничивающего интенсивность ЛИ, состоящего из корпуса, ориентированного вдоль направления распространения падающего ЛИ, из оптической кюветы, заполненной суспензией из наноуглеродных частиц луковичной структуры, двух собирающих линз, расположенных по обе стороны от оптической кюветы, и источника неоднородного магнитного поля, расположенного таким образом, чтобы обеспечить выталкивание из зоны воздействия светового потока с суспензией просветленной части суспензии, возникающей в результате указанного взаимодействия.

Недостатком прототипа является то, что он работоспособен при малой величине мощности пропускаемого светового потока и в течение ограниченного времени.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка способа защиты оптических систем от действия мощного лазерного излучения (ЛИ) в широком динамическом диапазоне за счет ограничения входного ЛИ высокой мощности.

Новый технический результат, обеспечиваемый предлагаемым способом, заключается в существенном повышении степени защиты оптических систем путем ограничения входного лазерного излучения более высокой по сравнению с прототипом мощности, а также в наличии меньших потерь для защиты от потока слабого ЛИ.

Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном способе ограничения интенсивности лазерного излучения (ЛИ), включающем подачу потока ЛИ на вход устройства, ограничивающего мощность ЛИ, согласно предлагаемому способу подачу потока ЛИ ведут путем последовательного пропускания потока ЛИ через размещенный на входе в оптическую систему в фокальной плоскости двух сопряженных линз первый каскад, который характеризуется переменным коэффициентом пропускания ЛИ, являющимся функцией величины интенсивности потока ЛИ, содержащий пропускающую ЛИ ячейку, выполненную в виде стеклянной кюветы, заполненную под давлением не более 5 атм инертным газом, например ксеноном, не имеющим полос поглощения в рабочей области спектра, а затем через второй каскад, представляющий собой нелинейный ограничитель, содержащий элемент, ограничивающий мощность ЛИ, выполненный в виде оптически прозрачной матрицы, например полимерной пленки, или стеклянной пластинки с введенным в нее нанодисперсным углеродсодержащим наполнителем, после чего поток ЛИ направляют на светочувствительный датчик, регистрирующий величину преобразованного ЛИ.

Газовая ячейка может быть заполнена любым инертным газом, не имеющим полос поглощения в рабочей области спектра, защищаемого от воздействия приемника ЛИ. Выбор газа и величина его давления в ячейке определяются требуемой величиной ограничения падающей на вход лазерной энергии и значением предельной мощности ЛИ, выдерживаемой динамическим ослабителем, стоящим после газовой ячейки. При небольшой величине приходящей плотности энергия ЛИ используемого динамического ослабителя в качестве такого газа используют ксенон (Хе), имеющий наименьший порог оптического пробоя по сравнению с другими инертными газами. Поскольку порог оптического пробоя в газе снижается с ростом его давления, то для обеспечения более широкого диапазона действия динамической защиты приемника излучения рабочее давление газа должно быть существенно выше атмосферного и определяться механической прочностью корпуса газовой ячейки.

Величина пороговой мощности образования плазмы в фокусе входной линзы (объектива) определяется площадью фокального пятна, длиной волны и длительностью импульса падающего ЛИ. В случае большого расстояния (более 1 км) от источника импульса ЛИ до входной линзы (объектива), что наиболее вероятно в реальных ситуациях, размер фокального пятна будет определяться и величиной кружка рассеяния используемой линзы. Для увеличения пороговой мощности оптического пробоя необходимо на входе газовой ячейки установить асферические линзы для снижения аберрации или использовать качественные объективы. При использовании таких оптических элементов размер фокального пятна будет ограничен дифракционным пределом, определяемым длиной волны ЛИ и диаметром входного зрачка линзы (объектива). Так, на длине волны излучения 1,06 мкм при использовании на входе оптической системы линзы диаметром 50 мм и фокусным расстоянием 100 мм площадь фокального пятна составит 3×10^-8 см². При таком размере фокального пятна и длительности излучения 10^-8 сек в случае использования ксенона с давлением 5 атм в качестве рабочего газа ограничение излучения в ячейке произойдет при плотности энергии менее 10^-4 Дж/см², что существенно ниже порога разрушения динамических фильтров, стоящих после газовой ячейки по ходу прохождения потока ЛИ.

При действии мощного входного ЛИ с интенсивностью, изменяющейся в широком динамическом диапазоне, в способе ограничения мощности ЛИ в качестве вещества стеклянной ячейки используется газ из группы инертных газов (ксенона, гелия, или другого газа, не имеющего полос поглощения в рабочей области спектра), например ксенон, при давлении 5 атм, а в качестве фильтра с нелинейным поглотителем используют полимерную пленку или стеклянную пластинку с введенным в нее нанодисперсным углеродсодержащим наполнителем.

Установка фильтра с нелинейным поглотителем после второй линзы позволяет обеспечить входную мощность ЛИ, находящуюся ниже порога пробоя газа и, тем самым, защитить оптическую систему от разрушающего воздействия мощного ЛИ.

Использование в качестве вещества ячейки инертного газа (ксенона, или другого инертного газа), не имеющего полос поглощения в рабочей области спектра, при давлении 5 атм обеспечивает порог лазерного пробоя ≥10⁸Вт/см², позволяя отражать и рассеивать падающее излучение на плазме пробоя, тем самым ограничивая мощность, поступающую на вход следующего каскада ограничителя ЛИ. Время развития искры пробоя газа при данных параметрах мощности входного ЛИ равно 10^-7 сек. При этом величина энергии пробоя, прошедшая через ячейку с инертным газом, составит 10^-1 Дж. При такой энергии пучка разрушения динамического ослабителя не произойдет, а с понижением мощности падающего на вход устройства ЛИ ниже порога пробоя газа за короткое время, порядка единиц наносекунд, восстановится высокая степень пропускания ячейки с газом, а функционирование оптической системы для приема потока ЛИ будет продолжено.

Используемое в предлагаемом способе устройство для снижения интенсивности потока ЛИ имеет высокое начальное пропускание, не ухудшающее оптические характеристики защищаемых следящих систем (чувствительность, лежащую в основе их работоспособности), и позволяет обеспечить работоспособность приемной оптики после воздействия на ее вход мощного, более 10⁸ Вт/см², ЛИ при плотности энергии ЛИ свыше 10^-4 Дж/см², что превышает возможности прототипа. При этом газообразное вещество, находящееся в стеклянной кювете (первый каскад), теряет оптическую прозрачность за счет сильного поглощения и рассеяния излучения плазмой оптического пробоя, однако данный эффект имеет место только в случае прохождения импульса ЛИ высокой мощности и в течение непродолжительного времени существования плазмы. При прохождении через каскад системы, ослабляющей мощность ЛИ, поток ЛИ попадает на светочувствительный датчик, регистрирующий величину потока ЛИ.

Возможность промышленного применения предлагаемого способа поясняется следующим примером.

Пример 1. В лабораторных условиях предлагаемый способ был реализован на устройстве (фиг.1), где 1 - входная линза оптической системы, 2 - ячейка с газом, 3 - выходная линза, 4 - фильтр с нелинейным поглотителем, 5 - приемник выходного потока ЛИ. Поток ЛИ направлен на входную линзу 1 приемного устройства, а в фокальной плоскости двух линз 1, 3 установлена ячейка 2 с газом (первый ограничительный каскад), затем на второй каскад, включающий в себя фильтр 4 с нелинейным поглотителем, затем на приемник излучения 5. Поток ЛИ от лазерной установки, поступающий на вход данного двухкаскадного ограничителя, направляли последовательно на вход приемного устройства с размещенными в нем двумя сопряженными линзами, затем через размещенный в фокальной плоскости этих линз первый каскад, содержащий пропускающую ЛИ ячейку, выполненную в виде стеклянной кюветы, заполненной под давлением 5 атм инертным газом (ксеноном), и далее через второй каскад, представляющий собой нелинейный ограничитель, содержащий элемент, ограничивающий мощность ЛИ. В качестве такого элемента использована стеклянная пластинка с нанодисперсным углеродсодержащим наполнителем в виде измельченной сажи.

Коэффициент пропускания элемента первого каскада, как это показали эксперименты, напрямую зависит от величины интенсивности потока ЛИ. Так, при интенсивности ЛИ менее 10⁸ Вт/см² коэффициент пропускания элемента этого каскада равен 1, а при большей интенсивности проходящего ЛИ коэффициент пропускания близок к нулю.

Таким образом, как это показали эксперименты, при реализации предлагаемого способа обеспечивается новый технический результат, заключающийся в существенном повышении степени защиты оптических систем путем ограничения входного лазерного излучения более высокой по сравнению с прототипом мощности, а также в наличии меньших потерь для защиты от потока слабого ЛИ.

Способ ограничения интенсивности лазерного излучения (ЛИ), включающий подачу потока лазерного излучения на вход устройства, ограничивающего мощность лазерного излучения, отличающийся тем, что подачу потока ЛИ ведут путем последовательного пропускания потока ЛИ через размещенный на входе в оптическую систему в фокальной плоскости двух сопряженных линз первый каскад, который характеризуется переменным коэффициентом пропускания ЛИ, являющимся функцией величины интенсивности потока ЛИ, содержащий пропускающую ЛИ ячейку, выполненную в виде стеклянной кюветы, заполненную под давлением не более 5 атм инертным газом, например ксеноном, не имеющим полос поглощения в рабочей области спектра, а затем через второй каскад, представляющий собой нелинейный ограничитель, содержащий элемент, ограничивающий мощность ЛИ, выполненный в виде оптически прозрачной матрицы, например полимерной пленки или стеклянной пластинки, с введенным в нее нанодисперсным углеродсодержащим наполнителем, после чего поток ЛИ направляют на светочувствительный датчик, регистрирующий величину преобразованного потока ЛИ.