Введение. Аналитический обзор современного состояния исследований в области защиты фотодетекторов от лазерного излучения

Аналитический обзор современного состояния исследований в области защиты фотодетекторов от лазерного излучения

(ЭТАП 1)

Санкт-Петербург

Г.

Исполнители:

• Белоусова И.М., д. ф.-м. н., профессор
• Данилов О.Б. , д. ф.-м. н., профессор

ОГЛАВЛЕНИЕ:

Исполнители: 2

ОГЛАВЛЕНИЕ: 3

Введение. 6

Раздел 1. Ограничение лазерного излучения для спектрального диапазона 0.4÷1.1 мкм. 9

Глава 1.1. Ограничители излучения на основе фотоиндуцированных процессов в фуллеренах, углеродных наночастицах и нанотрубках. 9

1.1.1. Широкополосные быстродействующие нелинейно-оптические ограничители на основе фуллеренсодержащих сред. 9

Введение. 9

Фотодинамика и механизм нелинейно-оптического ограничения в фуллеренсодержащих средах. 10

Экспериментальные исследования оптических ограничителей лазерного излучения на фуллеренсодержащих средах в растворах. 19

Низшие фуллерены. 20

Высшие фуллерены. 23

Зависимость нелинейно-оптического ограничения от длительности лазерного импульса. 25

Нелинейно-оптическое ограничение в системах фуллерен - твердотельная матрица. 27

Нелинейно-оптическое ограничение на фуллеренсодержащих полимерных средах. 29

Жидкокристаллические среды для нелинейно-оптического ограничения. 34

Фотонные кристаллы. 37

Функционализированные фуллерены. 39

Время восстановления среды после окончания лазерного импульса. 39

Литература к 1.1.1.: 40

1.1.2 Углеродные наночастицы.. 47

Механизмы нелинейного оптического ограничения в суспензиях углеродных наночастиц. 48

Умеренные интенсивности. 48

Высокие интенсивности. 51

Эффективность нелинейно-оптического ограничения в CBS в видимом и ближнем ИК диапазоне при различных длительностях импульсов. 54

Наносекундный – микросекундный диапазон длительностей. 54

Наносекундный - пикосекундный диапазон длительностей. 55

Влияние агрегации углеродных наночастиц на эффективность оптического ограничения в CBS. 57

Зависимость эффективности ограничения от растворителя. 59

Возможность работы ограничителя на CBS в импульсно-периодическом режиме. 60

Твердотельные образцы. 60

Выводы. 61

Литература к 1.1.2.: 62

1.1.3 Углеродные наноструктуры.. 64

1.1.3.1 Углеродные нанотрубки. 64

Механизмы нелинейно-оптического ограничения на нанотрубках. 64

Зависимость эффективности ограничения от растворителя в суспензиях и растворах углеродных нанотрубок. 65

Зависимость нелинейного оптического ограничения от длины волны. 66

Растворы нанотрубок. 66

Суспензии нанотрубок. 67

Зависимость нелинейного оптического ограничения суспензиями углеродных нанотрубок от длительности импульса. 68

Твердотельные образцы.. 68

Сравнение нелинейного оптического ограничения в растворах фуллеренов, суспензий углеродных наночастиц, суспензий и растворов нанотрубок. 71

Выводы. 72

1.1.3.2 Астралены. 72

Литература к 1.1.3.: 79

1.1.4. Анализ работы лимитеров на основе фуллеренсодержащих сред, астраленов, углеродных наночастиц и нанотрубок в параллельных и в сфокусированных пучках. 82

Литература к 1.1.4.: 86

Глава 1.2. Ограничители излучения на основе фотоиндуцированных процессов в органических кристаллах и композитах. 87

Литература к главе 1.2: 88

Глава 1.3. Ограничители излучения на основе фотоиндуцированных процессов в монокристаллических полупроводниках. 89

Ограничение излучения при двухфотонном межзонном поглощении. 89

Ограничение излучения при однофотонном примесном поглощении. 93

Литература к главе 1.3.: 96

Глава 1.4. Ограничители излучения на основе светоиндуцированного рассеяния в монокристаллах с ионами переходных металлов. 99

Литература к главе 1.4.: 100

Глава 1.5. Ограничители излучения на основе нелинейных интерферометров с пленками полупроводников. 101

Литература к главе 1.5.: 101

Глава 1.6. Ограничители излучения на основе нелинейно-оптических эффектов в композитных материалах с наночастицами полупроводников и металлов. 102

Композитные среды с наночастицами полупроводников. 102

Нелинейно-оптическое ограничение излучения в композитных средах с наночастицами металлов. 108

Нелинейно-оптическое ограничение излучения в композитных средах с наноструктурами полупроводник-металл. 109

Литература к главе 1.6.: 111

Выводы по разделу 1. 115

Раздел 2. Ограничители излучения для спектрального диапазона 1-2 мкм (τ =10 нс – 100 мкс) 117

Глава 2.1. Ограничители излучения на основе фотоиндуцированных процессов в монокристаллических полупроводниках. 117

Литература к главе 2.1.: 120

Глава 2.2. Ограничители излучения на основе нелинейно-оптических интерферометров. 121

Литература к главе 2.2.: 123

Глава 2.3. Ограничители излучения на основе фотоиндуцированных процессов в композитных материалах. 124

Литература к галве 2.3.: 125

Выводы по разделу 2. 126

Раздел 3. Ограничители излучения для спектрального диапазона 2-5 мкм (τ = 100 нс – 1 мкс) 128

Глава 3.1. Ограничители излучения на основе фотоиндуцированных процессов в монокристаллических полупроводниках. 128

Литература к главе 3.1.: 129

Глава 3.2. Ограничители излучения на основе нелинейно-оптических интерферометров. 130

Литература к главе 3.2.: 130

Глава 3.3. Ограничитель излучения на основе двухфотонного поглощения в стеклах с ионами редкоземельных металлов. 132

Литература к главе 3.3.: 132

Глава 3.4. Ограничители излучения на основе фотоиндуцированных процессов в композитных материалах. 133

Литература к главе 3.4.: 134

Выводы по Разделу 3. 135

Раздел 4. Ограничители излучения для спектрального диапазона 5-12 мкм (τ = 1 мкс – 100 мкс). 136

Глава 4.1. Ограничители излучения на основе двухфотонного поглощения в монокристаллических полупроводниках. 136

Литература к главе 4.1.: 136

Глава 4.2. Ограничители излучения на основе нелинейно-оптических интерферометров. 137

Литература к главе 4.2.: 138

Глава 4.3. Ограничители излучения на основе фотоиндуцированных процессов в композитных материалах. 140

Литература к главе 4.3.: 141

Выводы к разделу 4. 142

Заключение. 143

Введение

В настоящее время лазеры широко используются в научных исследованиях, промышленности, медицине, военных целях.Это делает актуальной защиту приемников излучения и органов зрения от лазерного излучения.

Лазерное излучение простирается от ультрафиолетовой до инфракрасной области спектра. В ряде задач используются перестраиваемые по частоте лазеры. Длительность лазерного излучения может быть от фемтосекунд до непрерывного излучения.

Устройства, которые способны выполнить задачу защиты приемниов излучения и органов зрения от лазерного излучения называются оптическими ограничителями или лимитерами.

а

б

в

Рис. 1. Механизмы ограничения излучения. а – амплитудная модуляция, б, в – пространственная модуляция излучения.

В зависимости от вида оптической нелинейности механизм ограничения излучения определяется либо нелиненым поглощением, либо изменением направления распространения луча (Рис. 1). В первом случае преобладает увеличение коэффициента поглощения материала с увеличением Е_вх. Во втором случае увеличение Е_вх приводит к увеличению коэффициента рассеяния, либо к появлению пространственного изменения показателя преломления, что вызывает фокусировку, либо дефокусировку, либо отклонение прошедшего пучка. Во многих нелинейных средах вклад в ограничение излучения вносит как нелинейное поглощение, так и пространственное изменение направления распространения луча.

Требования к характеристикам ограничителей излучения определяются двумя основными областями их практического применения - защитой фотоприемных устройств и органов зрения от воздействия интенсивного и излучения. Для реализации данных функций важны следующие характеристики ограничителя:

1. Высокое быстродействие - малое время включения под действием импульса интенсивного излучения и восстановления начальных оптических характеристик после окончания воздействия интенсивного излучения

2. Низкий энергетический порог ограничения

3. Высокий коэффициент ослабления в режиме ограничения

4. Большой динамический диапазон ограничения

5. Высокое пропускание в линейном режиме

6. Широкая спектральная область ограничения

7. Высокая лучевая стойкость

8. Широкий температурный диапазон функционирования

9. Совместимость с другими оптическими устройствами

Задача оптических ограничителей состоит в том, чтобы пропускать излучение слабой энергии (мощности) неповреждающее приемники и органы зрения и ограничивать пропускание лазерного излучения до допустимого уровня: “ослепления” или необратимого поражения. Это значит, что оптическое ограничение должно строиться на основе нелинейных фотодинамических механизмов.

На рис.2 показаны идеальная и реальная характеристики ограничителя излучения.

Рис.2. Идеальная (1) и реальная (2) энергетические характеристики ограничителя излучения.

Основными параметрами ограничителя излучения являются:

- Энергетический порог ограничения (E_пор на рис.2) – энергия падающего излучения, при которой начинается эффект ограничения.

- Динамический диапазон ограничения D = E_макс/E_пор – отношение максимальной энергии излучения, при которой еще имеет место эффект ограничения или разрушение лимитера (E_макс на рис.2), к пороговой энергии.

- Спектральный диапазон ограничения.

В данном аналитическом обзоре внимание сосредоточено на защите приемников от мощного лазерного излучения в диапазоне длин волн от 0.4 до 12 мкм. Естественно, что в таком широком спектральном диапазоне нелинейно-оптические ограничители строятся на различных физических принципах и материалах.

В обзоре проведен анализ ограничения лазерного излучения для спектральных диапаонов: 0.4÷1.1 мкм (Раздел 1), 1.0÷2.0 мкм (Раздел 2), 2.0÷5.0 мкм (Раздел 3) и 5.0÷12.0 мкм (Раздел 4).

В обзоре невозможно было охватить всё многообразие существующих в настоящее время ограничивающих нелинейных сред, поэтому мы сосредоточили основное внимание на тех физических принципах, нелинейных средах и устройствах, которые в том или иной мере положены в основу разработок авторов обзора.

Кроме того, в работе по Этапу 1 мы сосредоточили внимание на защите приемников от импульсного лазерного излучения, предпологая, что в дальнейшем может быть выполнен обзор по защите от мощного непрерывнго или квазинепрерывного излучения.