Введение к работе
Актуальность темы
Работы в области управления световыми потоками и лазерным излучением в частности ведутся уже не одно столетие. Одним из технических средств управления интенсивность световых потоков является оптический затвор. Это устройство, обеспечивающее пропускание и (или) перекрытие светового потока в течение определённого, заранее заданного времени. По назначению оптические затворы подразделяют на: а) предохранительные, закрывающие оптический тракт и препятствующие засветке светочувствительных элементов оптической системы (прибора); б) высокоскоростные оптические затворы, обеспечивающие прохождение светового потока через оптическую систему в течение очень малого, заранее заданного времени. Высокоскоростные оптические затворы периодического действия, предназначенные для открывания и закрывания оптического тракта с большой частотой. По принципу действия оптические затворы разделяют на механические (электромеханические), взрывного типа, оптические затворы, использующие полное внутреннее отражение, электрооптические на основе эффекта Керра и эффекта Поккельса, магнитооптические на основе Фарадея эффекта. Минимальное время, в течение которого оптический затвор механического типа обеспечивает прохождение светового потока или полностью перекрывает его, ограничено инерцией подвижных частей затвора и составляет не менее 10"4с. Оптический затвор взрывного типа позволяет открывать (закрывать) оптический тракт за время 10-10"6 с. Наибольшее быстродействие (10" -10" с) может быть получено при использовании в качестве оптического затвора ячеек Керра или кристаллов, обладающих эффектом Поккельса. В технике генерирования сверхкоротких лазерных импульсов для изменения добротности резонатора применяют пассивные оптические затворы, использующие элементы (стёкла, растворы), коэффициент пропускания которых резко меняется под действием светового излучения. Еще одна сфера применения оптических пассивных затворов, это защита от мощного лазерного излучения.
Бурное развитие мощной импульсной лазерной техники в последние десятилетия и широкое ее внедрение в различные сферы человеческой деятельности привело к необходимости решения задачи динамической защиты органов зрения, различных фотоприёмных устройств, сенсоров оптического излучения и т.п. Очевидная актуальность этой проблемы вызвана заметным возрастанием интенсивности излучения лазерных дальномеров, целеуказатслей и подобных им приборов, работающих в широкой области спектра. Практика применения лазеров, несмотря на ратификацию ведущими странами Международного конвенционного протокола от 05.10.99 «О запрещении лазерного оружия ослепляющего действия», может иметь нежелательным следствием серьезные заболевания персонала и разрушение чувствительных элементов оптических сенсоров.
В нашей стране и за рубежом работы в области создания средств защиты наблюдательных устройств и глаз наблюдателей от ослепляющего действия яр-
ких внезапно возникающих вспышек света ведутся уже длительное время. Для ограничения интенсивности проходящего излучения используют фотохромные стёкла; эффект самофокусировки излучения в нелинейных средах; нелинейное рассеяние излучения металлическими нанопроволоками; фильтры Христиансе-на в виде суспензии дроблёного стекла в' смеси ацетона и дисульфида углерода; эффекты увеличения сечения поглощения при переходе наночастиц на возбуждённые уровни и фотоиндуцированного светорассеяния в суспензиях или твердотельных матрицах, в том числе, в суспензиях коллоидных металлов и фулле-ренов, углеродных и фуллероидных наночастиц, во фталоцианинах; нелинейные эффекты в полиметиновых красителях; двухфотонное поглощение в полупроводниках (аморфных плёнках халькогенидов), и др. Почти во всех случаях наблюдается запаздывание наступления ограничения порядка десятка наносекунд и более, работоспособность устройств ограничена видимым и ближним ИК- диапазонами спектра. Динамический диапазон со стороны больших интен-сивностей ограничен тепловыми разрушениями устройств ограничителей, так как принципиально неустранимым является накапливание тепловой энергии поглощенного излучения в среде ограничителя при его работе.
По нашему мнению, принципиально иных характеристик можно ожидать от термооптических затворов, в частности затворов с тонкопленочными структурами. Они обладают простой конструкцией, широким рабочим спектральным диапазоном и высоким быстродействием, пассивным характером функционирования. Ослепляющее излучение, проходящее после срабатывания затвора направляется в поглотитель и не накапливается. Одной из возможностей применения такого оптического затвора является защита различных оптических и оп-тоэлектронных устройств наблюдения от поражающего воздействия лазерного излучения.
Цель работы и задачи исследований
Целью работы является разработка и исследование принципы создания термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами. Реализация цели достигается путем решения следующих задач:
-
Разработкой физико-технических основ создания оптических затворов с тонкоплейочными металлическими структурами на основе термооптических процессов, инициируемых воздействием высокоэнергетического лазерного излучения.
-
Исследованием оптических свойств и теплофизических характеристик тонких пленок щелочных и щелочноземельных металлов.
-
Разработкой методики и проведением экспериментальных исследований функциональных и оптических характеристик термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами, находящихся под воздействием лазерных импульсов наносекундной длительности.
-
Определением факторов, ограничивающих быстродействие термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами.
5. Разработкой экспериментального стенда для исследования взаимодействия импульсного лазерного излучения с тонкопленочными металлическими структурами термооптического затвора.
Информационная база исследования
По теме диссертации проведен патентный и информационный поиск по базе ведущих российских и зарубежных научных журналов и периодических изданий, материалов конференций глубиной по 1990 год включительно.
Научная новизна диссертационной работы
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке и исследовании принципов создания термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами. При этом впервые:
1. Разработана физическая модель процессов управления оптическими из
лучениями, основанных на термооптических эффектах в тонкопленочных ме
таллических структурах, сопровождаемых фазовыми переходами и инициируе
мых воздействием импульсного лазерного излучения, в том числе:
основанных на возбуждении микродеформаций поверхности мланарных микромеханических структур;
основанных на локальном удалении тонкопленочной металлической структуры.
-
Разработаны физико-технические основы создания пассивных быстродействующих оптических затворов, функционирующих на принципе лазерного возбуждения термооптических эффектов в металлических тонкопленочных структурах.
-
Разработана методика исследования в реальном масштабе времени оптических и функциональных характеристик термооптических затворов, основанных на принципе локального необратимого удаления тонкопленочной металлической структурі)! и находящихся под воздействием лазерных импульсов наносекундной длительности.
-
Экспериментально исследованы оптические и функциональные характеристики термооптических затворов, основанных на принципе локального необратимого удаления тонкопленочной металлической структуры и находящихся под воздействием лазерных импульсов наносекундной длительности, при этом:
выявлены особенности оптических свойств пленок Mg толщиной менее 0,1 мкм в диапазоне длин волн 0,4 - 1,1 мкм;
найдена зависимость пороговой плотности мощности лазерного импульсного излучения, достаточной для локального испарения тонких пленок Mg, К, Cs, Na, от толщины этих пленок.
5. Определены факторы, ограничивающие быстродействие термооптиче
ских затворов, функционирующих на принципе локального необратимого уда
ления тонкоплеиочной металлической структуры.
Теоретическая значимость работы
1. Разработана физическая модель процессов взаимодействия когерентного
оптического излучения с тонкопленочными металлическими структурами, со
провождаемых фазовыми переходами вещества и термооптическими эффекта
ми, в том числе:
с возбуждением микродеформаций поверхности планарных микромеханических структур;
с локальным удалением тонкопленочной металлической структуры.
2. Разработаны физико-технические основы создания пассивных быстро
действующих оптических затворов, функционирующих на принципе лазерного
возбуждения термооптических эффектов в металлических тонкопленочных
структурах.
Практическая значимость работы
-
Выработаны принципы проектирования термооптических затворов в зависимости от требующегося быстродействия, пороговой энергии срабатывания и длины волны воздействующего излучения.
-
Определены оптические константы тонких пленок щелочных и щелочноземельных металлов в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра.
-
Разработан экспериментальный стенд для исследования в реальном масштабе времени процессов взаимодействия импульсного лазерного излучения с термооптическими затворами с наносекундным временным разрешением.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований термооптических затворов были использованы в ходе НИР «Исследование путей создания микромеханических оптических затворов с наносекундным быстродействием», выполненной по заказу Минобороны РФ, при этом:
разработан, изготовлен и исследован макет микромеханического термооптического затвора, функционирующего на принципе локального необратимого удаления тонкопленочной металлической структуры;
разработана экспериментальная аппаратура для исследования параметров и демонстрации защитных свойств микромеханического термооптического затвора, препятствующего проникновению в оптико-электронные приборы и системы поражающего лазерного излучения и последующего вывода из строя фотоприемных устройств.
Основные результаты исследования, выносимые на защиту
\. Принципы создания термооптических затворов, функционирование которых основано на локальном необратимом удалении тонкопленочной,металлической структуры под воздействием импульсного лазерного излучения.
2. Физико-техническая модель процессов функционирования термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами, сопровождаемых фазовыми переходами и инициируемых воздействием импульсного лазерного излучения.
-
Оптические константы тонких пленок щелочных и щелочноземельных металлов в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра.
-
Оптические свойства пленок Mg толщиной менее 0,1 мкм в диапазоне длин волн 0,4-1,1 мкм.
-
Критерии выбора состава и толщины тонкопленочных металлических структур термооптических затворов в зависимости от требующегося быстродействия, пороговой энергии срабатывания и длины волны воздействующего излучения.
-
Факторы, ограничивающие быстродействие термооптических заі воров, функционирующих на принципе локального необратимого удаления тонкопленочной металлической структуры.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и представлялись на: III, IV и V Международном научном конгрессе «ГЕО--Сибирь» (Новосибирск, 2007 г., 2008 г., 2009 г.), а также на научных семинарах и совещаниях кафедры физики СГГА.
Публикации
Соискателем лично и соавторстве по материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе: 2 в ведущих рецензируемых научных журналах, тексты докладов на трех международных конференциях, 1 заявка на изобретение, 4 зарегистрированных научно-технических отчета по НИР.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и приложения, изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 30 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 60 наименований.
