Разработка принципов создания термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

УДК 535.211

На правах рукописи

00348825 1

Шсргип Сергей Леонидович

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ СОЗДАНИЯ ТЕРМООПТИЧЕСКИХ ЗАТВОРОВ С ТОНКОПЛЕНОЧНЫМИ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ

СТРУКТУРАМИ

01.04.05-«Оптика»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

/I о ДЕН 2009

Новосибирск - 2009

003488251

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия»

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Чесноков Дмитрий Владимирович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Москвин Виктор Николаевич;

доктор физико-математических наук,

профессор

Борыняк Леонид Александрович.

Ведущая организация

Институт лазерной физики СО РАН, г. Новосибирск

Защита состоится 26 декабря 2009 г. в 13.00 час. на заседании диссертационного совета ДМ 212.251.01 при Сибирской государственной геодезической академии (СГГА) по адресу: 630108, Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, ГОУ ВПО «СГГА», ауд. 403.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГГА.

Автореферат разослан 26 ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Симонова Г.В.

Изд. лиц. № ЛР 020461 от 04.03.1997. Подписано в печать 23.11.2009. Формат60><84 1/16. Усл. печ. л. 1,68. Уч.-изд. л. 0,99. Тираж 100 экз.

Печать цифровая. Заказ £

Отпечатано в картопечатной лаборатории СГГА 630108, Новосибирск, 108, Плахотного, 8.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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"9-10"'° 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:

1. Разработкой физико-технических основ создания оптических затворов с тонкоплейочными металлическими структурами на основе термооптических процессов, инициируемых воздействием высокоэнергетического лазерного излучения.

2. Исследованием оптических свойств и теплофизических характеристик тонких пленок щелочных и щелочноземельных металлов.

3. Разработкой методики и проведением экспериментальных исследований функциональных и оптических характеристик термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами, находящихся под воздействием лазерных импульсов наносекундной длительности.

4. 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 излучениями, основанных на термооптических эффектах в тонкопленочных металлических структурах, сопровождаемых фазовыми переходами и инициируемых воздействием импульсного лазерного излучения, в том числе:

- основанных на возбуждении микродеформаций поверхности планарных микромеханических структур;

- основанных на локальном удалении тонкопленочной металлической структуры.

2. Разработаны физико-технические основы создания пассивных быстродействующих оптических затворов, функционирующих на принципе лазерного возбуждения термооптических эффектов в металлических тонкопленочных структурах.

3. Разработана методика исследования в реальном масштабе времени оптических и функциональных характеристик термооптических затворов, основанных на принципе локального необратимого удаления тонкопленочной металлической структуры и находящихся под воздействием лазерных импульсов наносекундной длительности.

4. 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 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 К, Сэ, от толщины этих пленок.

5. Определены факторы, ограничивающие быстродействие термооптических затворов, функционирующих на принципе локального необратимого удаления тонкоплеиочной металлической структуры.

Теоретическая значимость работы

1. Разработана физическая модель процессов взаимодействия когерентного оптического излучения с тонкопленочными металлическими структурами, сопровождаемых фазовыми переходами вещества и термооптическими эффектами, в том числе:

- с возбуждением микродеформаций поверхности планарных микромеханических структур;

- с локальным удалением тонкопленочной металлической структуры.

2. Разработаны физико-технические основы создания пассивных быстродействующих оптических затворов, функционирующих на принципе лазерного возбуждения термооптических эффектов в металлических тонкопленочных структурах.

Практическая значимость работы

1. Выработаны принципы проектирования термооптических затворов в зависимости от требующегося быстродействия, пороговой энергии срабатывания и длины волны воздействующего излучения.

2. Определены оптические константы тонких пленок щелочных и щелочноземельных металлов в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра.

3. Разработан экспериментальный стенд для исследования в реальном масштабе времени процессов взаимодействия импульсного лазерного излучения с термооптическими затворами с наносекундным временным разрешением.

4. 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

1. 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.

3. Оптические константы тонких пленок щелочных и щелочноземельных металлов в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра.

4. Оптические свойства пленок Mg толщиной менее 0,1 мкм в диапазоне длин волн 0,4-1,1 мкм.

5. Критерии выбора состава и толщины тонкопленочных металлических структур термооптических затворов в зависимости от требующегося быстродействия, пороговой энергии срабатывания и длины волны воздействующего излучения.

6. Факторы, ограничивающие быстродействие термооптических зач ворон, 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 рабог, 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, научная новизна и практическая цегшость. Приведены результаты апробации работы и публикации по ее теме. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту. Дано краткое содержание диссертации по главам.

В первом разделе проведен обзор известных оптических затворов и ограничителей лазерного излучения. Рассматриваются различные задачи в области управления лазерным излучением. Описывается принцип действия и характеристики известных оптических затворов. Проводится классификация оптических затворов по различным критериям, по итогам которой выделяются их недостатки (несостоятельность) в решении конкретных актуальных задач. Рассматривается возможность создания термооптических затворов для решения поставленных задач, а также их преимущества перед существующими аналога-

ми. Описаны основные закономерности процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом. Приведены результаты анализа поражающих факторов воздействия лазерного ослепляющего облучения на элементы фотоприёмных устройств.

В заключение дано обоснование задач диссертационной работы.

Во втором разделе представлена физико-техническая модель процессов функционирования термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами, сопровождаемых фазовыми переходами и инициируемых воздействием импульсного лазерного излучения. Подробно проанализировано функционирование термооптических затворов двух типов: - основанных на возбуждении микродеформаций поверхности тонкопленочной металлической структуры; - основанных на локальном необратимом удалении тонкопленочной металлической структуры.

Далее в диссертации рассмотрена возможность создания оптических затворов с использованием поверхностей, являющихся гладкими и зеркальными в условиях засветки слабыми световыми потоками, но рассеивающих интенсивное (поражающее) импульсное лазерное излучение.

Индуцируемые лазерным облучением термодеформации поверхностей тел вызваны термическим расширением материала и обычно не велики. Одной из возможностей увеличения деформаций и, тем самым, увеличения эффективности взаимодействия такой деформированной поверхности со световым потоком, является использование особой поверхностной двухслойной структуры, состоящей из верхнего отражающего слоя и нижнего слоя, выполненного из вещества, которое под действием нагревания может совершить фазовый переход с увеличением объема, например, расплавиться или испариться. Во время приема импульса сфокусированного лазерного излучения слои локально нагреваются, в месте нагревания происходит испарение нижнего слоя, избыточным давлением пара верхний слой деформируется, принимает форму купола и рассеивает падающее излучение. После окончания действия импульса облучения зеркало принимает свою исходную плоскую форму за время порядка микросекунд в результате возврата нижнего слоя в конденсированное состояние при остывании до температуры ниже температуры фазового перехода. Тот факт, что инициирование активности поверхности зеркала носит тепловой характер, позволяет использовать его в достаточно широкой области спектра.

Требования к оптическим свойствам отражающего слоя противоречивы: с одной стороны, он должен хорошо поглощать энергию «ослепляющего» излучения и быстро передавать тепло второму слою, а с другой - как элемент оптической системы, он должен обладать высокой отражательной способностью.

Рассеивающие свойства поверхности увеличиваются, если выполнить двухслойную структуру в виде матрицы ячеек, заполняющих поверхность подложки; в таком случае при поглощении лазерного импульса засвеченная часть поверхности приобретет рельеф в виде множества микрокуполов, расположенных регулярно. С помощью апертурной диафрагмы, установленной далее по оптической оси, излучение, рассеянное под углами, превышающими некоторый заданный предельный угол ф, отсекается и не попадает на фотоприемник.

На практике время возникновения микрокуполов (быстродействие срабатывания) должно составлять порядка 0,1 - 0,2 от длительности ослепляющею импульса излучения (т.е. примерно 1-10 не), а доля рассеянной энергии импульса - не менее 80 - 90%.

На рис. 1 схематично показано устройство ячейки матрицы в исходном положении (а) и ее конфигурация после срабатывания под действием падающею излучения (б). При нормальном падении свега максимальный угол рассеяния излучения на микрокуполах составляет (р|(1ах ~ 2г/гк - 4/г/г, где г - радиус основания, гк - радиус кривизны купола.

При падении излучения поглощенная часть его энергии нагревает мембрану и полость под ней, испаряя вещество в полости и создавая импульсный скачок давления, вызывающий деформацию мембраны и ее изгиб вверх - она принимает форму сегмента сферы, образуя полость 2'. Частично это давление уравновешивается механическим импульсом десорбированного газа с верхней поверхности мембраны I.

Анализ процессов с точки зрения процессов теплопроводности и баланса энергий (излучения и тепловой) позволил получить следующее выражение:

где - плотность мощности падающего на зеркало излучения, - длительность лазерного импульса, /?отр - коэффициент отражения поверхности мембраны; с, р, ¿-удельные теплоемкости, плотности и толщины, соответственно, слоев 1,2 и 3 (в зависимости от индекса), АТ~ (Г- 293 К) - увеличение температуры структуры под действием лазерного импульса, в первом приближении равное для всех слоев.

Формула (1) позволяет ввести критерии выбора материалов для всех трех слоев. Последнее слагаемое в ней определяет значение пороговой мощности срабатывания ячейки, так как его величина значительно превышает сумму остальных членов уравнения. Поэтому, чтобы снизить пороговую мощность лазерного излучения, в качестве испаряющегося следует выбирать вещество с минимально возможным значением произведения р2«У-исп- С другой стороны.

Рис. 1. Схема ячейки оптического затвора, использующего термоиндуцированную деформацию зеркальной поверхности

Д-'и (1 - Яотр ) * ЧР^АТ + С}Р1^АТ + Ргс12ц

'ИСП

(1)

поскольку АТ = Гкип + АТ' - 293 К, где ДТ' - превышение температуры прогрева ячейки над температурой кипения, то рост Гкип приводит к росту ДГ и, соответственно, к увеличению первых двух слагаемых в правой части уравнения (1) , что нежелательно. Следовательно, испаряющееся вещество должно также иметь еще и невысокую температуру кипения.

С теплофизической точки зрения мембрана должна обладать максимальной теплопроводностью и минимальной теплоемкостью, чтобы беспрепятственно передать поглощенную энергию излучения в слой 2. Подложку, наоборот, желательно изготавливать из материала с низкой температуропроводностью а - ку!ср (к/- - коэффициент теплопроводности), например из кварца, чтобы уменьшить в нее отток тепла, определяемый слагаемым с^р^АТ.

С учетом указанных соображений при первоначальном анализе наиболее подходящими материалами для мембраны были определены молибден и титан, для испаряющегося слоя - йод, для подложки - кварц.

Далее в диссертации процессы, происходящих при лазерном испарении тонких пленок, проанализированы в соответствии с подходом, сформулированном в работе [5], согласно которому в каждый момент времени условия в любой точке испаряемой среды являются равновесными, что позволяет пользоваться законами равновесной термодинамики. Кроме того, процесс нагрева пленки можно считать стационарным, поскольку время установления профиля распределения плотности вещества (в нашем случае - под мембраной) меньше характерного времени изменения интенсивности излучения.

Поскольку воздействие излучения и соответствующие деформации мембраны под воздействием давления пара имеют кратковременный характер, в диссертации было теоретически исследовано динамическое поведение мембраны, учитывающее соотношение длительности лазерного импульса и частоты собственных механических колебаний мембраны.

Далее в диссертации были рассмотрены факторы, определяющие быстроту срабатывания подобного оптического затвора. В первом приближении его действие можно представить в виде последовательности этапов: а) поглощение оптического излучения мембраной и передача энергии кристаллической решетке металла; о) распространение тепла от мембраны и нагревание области, занимаемой слоями I, 2 и 3 (см. рис. 1), до температуры кипения в данных условиях рабочего вещества; в) превращение рабочего вещества в пар; г) деформация мембраны.

В соответствии с проведенным анализом общая длительность процессов, приводящих к срабатыванию клапана, составляет:

,, *,, +,, + ,2 + ,А = 1 о-м + Ч + + (2)

а V Р

где - время преобразования энергии излучения в тепло вещества (для металлов /| и 1СГП с); время продвижения температурного фронта в вещест ве на

Рис. 2. Зависимость величины прогиба молибденовой и титановой мембран oí примени деформации при различных плотностях мощности падающего излучения

расстояние /; ij - время, необходимое для поглощения энергии излучения, достаточной для срабатывания ячейки; - время, требующееся для деформации мембраны до величины прогиба h.

Расчетное сравнение относительной роли составляющих времени срабатывания показывает, что наибольшую длительность имеет период, за который мембрана ячейки изогнется на необходимую для рассеяния излучения величину; сумма времен t¡ + t¡ + ¡2 « 1,0 - 1,5 не характеризует время задержки начала срабатывания ячейки после падения излучения на деформируемое зеркало.

На рис. 2 представлены зависимости величины прогиба молибденовой и титановой мембран толщиной 100 нм от времени деформации при различных плотностях мощности падающего излучения (как и ранее, рабочее вещество -пленка йода толщиной »10 нм, подложка - из плавленого кварца). Максимальный угол рассеяния света в данном случае достигает 0,8 - 8 мрад (см. объяснения к рис. 1).

Поглощенная деформируемой поверхностью тепловая энергия должна быть затем отведена от места выделения для приведения поверхности зеркала в первоначальное состояние после окончания импульса облучения поверхности. Решение проблемы возможно за счет использования четырехслойной структуры, если обеспечить сток тепла через слой SiCb, являющимся дном ячейки, в хорошо теплопроводящую подложку.

Важно подчеркнуть, что эффект термоиндуцированного ослабления интенсивности световых потоков имеет пороговый характер. При плотности мошно-

а) б)

Рис. 3. Структура и функционирование пассивного оптического затвора с испаряющейся зеркальной плёнкой, а- этап поглощения излучения, б - этап испарения зеркального слоя; Рп -мощность падающего на затвор излучения. 1 - зеркальная металлическая плёнка; 2 - прозрачная подложка

сти падающего излучения меньше некоторой величины, при которой рабочее вещество может кипеть, срабатывания ячеек не произойдет.

Далее в диссертации рассмотрена возможность создания термооптических затворов с нелинейно-оптическим переключающим элементом в виде зеркальной тонкой металлической плёнки на подложке, размещённой в фокальной плоскости объектива оптико-электронного прибора. Плёнка под действием падающего лазерного излучения локально, в точке изображения излучателя, сначала изменяет свою отражательную способность в результате нагрева, далее металл испаряется, в месте падения излучения образуется отверстие в плёнке, и отражение от данного участка зеркальной поверхности затвора практически прекращается. Затвор в целом остаётся работоспособным.

Проблема уменьшения разрушений при воздействии лазерного излучения, имеющего энергию импульса и плотность мощности значительно большие, чем необходимо для срабатывания затвора, решается тем, что излучение после срабатывания затвора им не поглощается, а выводится из структур затвора наружу, в окружающее пространство, в результате затвор может выдерживать многократные «перегрузки», не разрушаясь в целом и управляя значительными но потоку энергии излучениями.

На рис. 3 схематически показаны конструкция термооптического затвора с тонкопленочными металлическими структурами и процесс его срабатывания.

Подложка с плёнкой устанавливается в фокальной плоскости объектива; отражённое от плёнки излучение вторым объективом фокусируется на плоскость приемника излучения, и при локальном просветлении в момент испарения участка плёнки с изображением ослепляющего излучателя его излучение перестаёт отражаться к приёмнику.

На рис. 3, а) лазерное излучение проходит через прозрачную подложку 2 и частично отражается от металлической плёнки 1. В соответствии с законом сохранения энергии отражательная способность R определяется выражением (пренебрегая пропусканием света плёнкой) R = \~ Л, где А - поглотительная, способность.

В рассматриваемом устройстве толщина плёнки не должна существенно отличаться от глубины проникновения в неё падающего света, которая для большинства металлов равна 10 - 100 нм, поэтому плёнка падающим излучением одновременно прогревается по всей толщине, и при условии, что толщина J плёнки меньше длины тепловой волны в ней d <lT = -Jot, плёнку можно считать нагретой равномерно по толщине. Здесь а = кт / cr ~ температуропроводность плёнки, кт и с,- - теплопроводность и объемная теплоемкость тела; / • время действия излучения.

На первом этапе облучения интенсивность отраженного света определяется значением и изменениями отражательной способности плёнки.

Далее в диссертации анализируется изменение оптических характеристик тонкопленочных металлических структур по мере их нагрева падающим лазерным импульсом. Как известно [Взаимодействие лазерного излучения с металлами / A.M. Прохоров, В.И. Конов, И. Урсу, И.Н. Михэилеску. - М.: Наука, 1998], изменение поглощательной способности металлов с температурой определяется выражением:

Л = Л0(1 + аЛ7") = Д. + ДЛГ, (3)

где Д = Д,а, а - термический коэффициент электросопротивления. Для большинства металлов а » (3 -:- 4) ■ 10~3 град"'. Выражение (3) пригодно только для оценочных расчётов; для получения точных значений необходимо экспериментальное определение величин.

При плавлении металла значение коэффициента поглощения увеличишься скачком в 1,5-2 раза и для металла в жидкой фазе может рассчитываться по (3), если считать Д, поглощательной способностью расплава.

Увеличение поглощательной способности поверхности полубесконечного тела с ростом температуры поверхности учтено в выражении [Прохоров и др.] для температуры:

г(0 = (7° + д)ехрм2(1 + егг"ьд ; u = Alu{l^f' (4)

/0 - интенсивность падающего на поверхность излучения; - время нагревания поверхности до температуры T(t).

Уравнение (4) не пригодно для расчетов температуры тонкой плёнки на подложке, если толщина плёнки меньше длины тепловой волны в ней.

Температура поверхности по (4) определяется способностью тела запасать тепловую энергию поглощенного излучения в приповерхностном слое глубиной 1Т. Учет этого фактора позволяет считать плёнку 1 на рис. 3, а) теплоизолированной от окружающей среды, т.к. она расположена на подложке с малой температуропроводностью. При малой, меньшей длины тепловой волны толщине плёнки температура по всей ее толщине может быть принята одинаковой.

Дальнейший теплофизический анализ позволил вывести уточненное выражение для облучения плёнки на прозрачной подложке:

и' = 0,632^. (5)

/, ■ Су

и выразить зависимость времени нагревания плёнки до температуры плавления от вспомогательной величины и :

«'-/.-су

~ 0,632/),/„' (

При продолжении облучения плёнка плавится, на что требуется время г,

к = С)

'и Лж

и далее нагревается до температуры Т' интенсивного испарения, что требует дополнительного времени ?3:

(8)

^оДк

где Д„, - теплота плавления; р - плотность плёнки; АТ" = Т- Т,..., - разность температур интенсивного испарения и плавления; с* - объемная теплоемкость расплава; А,К - показатель поглощения расплава. Расчеты показывают, что для металлов, имеющих Л„ и 0,2 - 0,3, после нагревания до плавления и перехода в жидкое состояние показатель поглощения Аж «1, а температура интенсивного испарения выше температуры кипения.

Для испарения нагретой плёнки потребуется дополнительное время I,

(9)

■"оДк

Последнее выражение получено исходя из предположения о свободном испарении вещества, когда скорость испарения ограничена только темпом поступления тепловой энергии в среду. Далее в диссертации приведена оценка

г, к 2500

Т*( ВО

К

1,0

Т*{ М8)

2000

0,8

1500

/0 1 • 10" Вт/м2 -0,6

1000

Т^е) _ - 0,4

тпл№

500

0,2

О

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 не

Рис. 4. Зависимость температуры Гплёнок магния и висмута толщиной А = 1 К)"7 м и их показателя отражения К от времени облучения

справедливости такого допущения и установлено, что температура поверхности не является ограничивающим фактором, как и конденсация обратно возвращающихся на поверхность испарения частиц пара.

Общее время облучения [, требующееся для получения плёнкой (силовой энергии, достаточной для испарения, равно

Выражение (10) получено исходя из допущения, что стадия процесса следуют друг за другом последовательно, не перекрываясь.

На графиках рис. 4 показано изменение температуры Т плёнок магния и висмута толщиной /, = 1 -10 7 м и их показателя отражения Я от времени облучения, рассчитанные в соответствии с формулами (4) - (10) для интенсивности падающего излучения /„ =1-10" Вт/м2. Расчёты проведены при следующих значениях констант: на длине волны X = 1 мкм и при нормальных условиях показатели поглощения для магния А0 = 0,15, для висмута А0 =0,2, в жидкой фазе расчётное значение показателя поглощения ) ^ 1 для обоих металлов.

Из графиков следует, что доля энергии ослепляющего излучения, попадающего в апертуру приёмника, пропорциональная отражательной способное ! и /? плёнки, уменьшается не только за счёт ограничения интенсивности, но и благодаря укорочению импульса излучения, которое обеспечивается тем фактом, что зеркальная плёнка плавится и перестаёт отражать за время только первой части всего ослепляющего импульса.

I «ц +12 +1, +■/,.

(Ю)

Фиг. I

Фиг. 2

Фиг. 3

Рис. 5. Схема работы термооптического затвора с самовосстановлением

Основным недостатком термооптических затворов с локально испаряемой металлической пленочной структурой является необратимость удаления зеркальной пленки. Хотя размер прокола не превышает 30 мкм, при разработке приборов применения необходимо специально оптимизировать оптическую схему, чтобы свести влияние этого эффекта к минимуму.

Для решения этой проблемы было предложено излучение, прошедшее сквозь термооптический затвор, не утилизировать в оптической ловушке, а использовать его энергию для создания локального источника паров металла, которые запылят с тыльной стороны указанный прокол. Не рис. 5 представлена схема функционирования термооптического затвора с самовосстановлением. Рассмотрим работу устройства.

Световой сфокусированный луч 6 проходит сквозь прозрачную подложку 2 и в месте падения на пленку металла испаряет её за время, составляющее долю длительности импульса. За остальное время импульса свет проходит через отверстие, не отражаясь. Таким образом, длительность импульса отраженного излучения оказывается меньше длительности падающего.

Прошедшее сквозь отверстие 7 излучение частично поглощается веществом слоя 3, частично отражается, рассеиваясь преимущественно в стороны от отверстия 7, что обусловлено рассеянием излучения поверхностью, ['loi лощенная часть нагревает и испаряет часть слоя вещества 3, образуя в слое лунку 9: поток пара устремляется к металлической отражающей пленке I. Камера 4 должна быть вакуумирована во избежание столкновений молекул пара с молекулами газов атмосферы.

Поток пара, оседая на поверхности металлической отражающей пленки / и на поверхности подложки в области отверстия, может создать там новое зеркальное покрытие (заплатку 10) и восстановить целостность слоя металлизации и его отражающие свойства, если к моменту прихода парового сгустка импульс падающего излучения уже закончится. В противном случае новый слой также будет поврежден. Избежать этого эффекта можно, установив расстояние от подложки до вещества 3 не меньшим произведения массовой скорости пара на длительность импульса падающего излучения.

Массовая скорость и пара направлена нормально к поверхности и равна:

Ц2яМ

где V - среднеквадратичная скорость теплового движения молекул, R. Т и М-универсальная газовая постоянная, температура испарения и молярная масса вещества пара, соответственно. Например, для цезия ( М =0,133 кг/моль) при Т= 1000 К получим и - 100 м/с и при длительности импульса t =20 не расстояние между слоями / и 3 составит 2 мкм.

Поглощенная плёнкой 1 доля а (для цезия а = 0,1) энергии Q падающего на затвор импульса излучения расходуется на перевод в состояние пара вещества плёнки 1:

aQi 1 - «о) = <*Р1У ' К )> = ken -P'h (12)

где R0 - коэффициент отражения металлической пленки 1,Р~ плотность мощности излучения, падающего на пленку, £исп - теплота испарения металла, р -плотность металла, h - толщина плёнки 1.

Объем испаренного вещества отверстия 7 в а раз больше испаренного из слоя 3 (если это один и тот же металл), и толщина заплатки также будет больше толщины слоя 1 в 1/а раз.

Выражение (12) не учитывает потери тепла за счет теплопроводности вещества слоя 3 и подложки, что допустимо в случае слоя 3 лазерных импульсов наносекундной длительности.

Далее в диссертации представлен анализ факторов, ограничивающие быстродействие термооптических затворов, функционирующих на принципе локального необратимого удаления тонкопленочной металлической структуры.

В первую очередь, факторы ограничивающие быстродействие указанного типа термооптических затворов следуют из физической модели их функционирования и определяются плотностью мощности падающего излучения и параметрами вещества плёнки, в том числе температурой кипения, удельной теплоемкостью и теплотой испарения. При увеличении плотности мощности излучения время срабатывания затвора при прочих равных условиях уменьшается. Основной причиной, ограничивающей быстродействие затвора, является время расплавления зеркальной плёнки.

Быстродействие термооптических затворов с самовосстановлением дополнительно лимитируется временем релаксации и определяется длительностью ослепляющего импульса, временем пролета пара в промежутке между зеркальной плёнкой и слоем материала для заплатки. Таким образом, время релаксации задается конструктивным параметром затвора - расстоянием между зеркальным и восстанавливающим слоями - и может быть выбрано не менее удвоенной длительности ожидаемого ослепляющего импульса. Так при длительности падающего лазерного импульса 10-20 не, время релаксации может составить 30-50 не.

В заключение второго раздела по результатам теоретического рассмотрения физических моделей сформулированы следующие принципы создания термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами:

- пассивный характер функционирования - использование энергии управляемого оптического потока для изменения оптических свойств затвора и управления оптическим потоком. Затвор, по сути, является нелинейным оптическим элементом;

- локальный характер функционирования - оптические свойства меняются только на том участке затвора, который подвергается воздействию управляющего излучения, остальная площадь затвора сохраняет работоспособность и обеспечивает работу оптико-электронных устройств в штатном режиме;

- использование фазовых переходов (изменения агрегатного состояния вещества) активного слоя затвора при поглощении энергии управляющего лазерного излучения - для усиления термооптических эффектов;

- пороговый характер функционирования - существуют предельные значения энергии (мощности) управляющего лазерного излучения, ниже которых затвор не меняет своих оптических характеристик;

- затвор изменяет коэффициент рассеяния излучения - при конструктивном решении, основанном на возбуждении микродеформаций поверхности планарных микромеханических структур;

- затвор изменяет пропускающую способность - при конструктивном решении, основанном на локальном удалении тонкопленочиой металлической структуры.

Из указанных принципов создания и физических моделей функционирования следуют принципы проектирования термооптических затворов в зависимости от требующегося быстродействия, пороговой энергии срабатывания и длины волны воздействующего излучения, сформулированные далее в диссертации. Эти принципы конструирования позволяют разрабатывать термооптичс-ские затворы с учетом требований конкретного технического задания:

- оптические характеристики зеркального слоя должны удовлетворять противоречивым требованиям - как элемент оптической схемы он должен вносить минимальные энергетические потери, то есть обладать хорошей отражающей способностью, а как нелинейный элемент он должен поглощать энергию излучения в количестве, достаточном для изменения своих оптических характеристик;

- теплофизические характеристики активного слоя - малая теплоемкость-и высокая температуропроводность - вытекают из необходимости быстрого прогрева всей толщи слоя и как можно меньшей величины энергии, необходимой для его нагрева - расплавления -- испарения;

- плохой тепловой контакт между подложкой и активным зеркальным слоем позволяет уменьшить его энергетические потери;

- химические свойства вещества затвора должны учитываться при конструировании его корпуса и могут заставит применять герметизированные или вакуумированные варианты;

- толщина тонкопленочной структуры должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить малую пропускающую способность в рабочем диапазоне спектра, с одной стороны, и достаточно малой, чтобы обеспечить малую его теплоемкость;

- оптическая апертура затвора определяется конструктивными параметрами конкретной оптической системы, и не должна быть слишком малой, чтобы не допустить виньетирования, но и не слишком большой, чтобы не вызвать роста массогабаритных параметров прибора применен и я;

- габаритные размеры гермооптических затворов на основе щелочных металлов могут достигать значительных величин (в силу необходимости вакуумированного корпуса), что ограничивает их применение в компактных системах.

В третьем разделе диссертации представлены результаты экспериментальной проверки разработанных принципов создания и конструирования термооптических затворов, функционирующих на принципе локального удаления тонкопленочной металлической структуры на примере реализации требований технического задания поисковой НИР «Исследование путей создания микромеханических оптических затворов с наносекундным быстродействием» выполненной при непосредственном участии соискателя в 2005-2008 г. г.

Требования ТЗ:

- время срабатывания затвора порядка, с..........................................................10 ''

- время релаксации затвора, с.............................................................................10'6

- диапазон длин волн, обеспечивающий срабатывание затвора, мкм......0,9- 1,2

- длительность импульса ослепления, не........................................................5-15

- площадь оптической апертуры микромеханического затвора, мм"............. 100

- исследуется возможность многоразового срабатывания затвора.

Из приведенных требований следует, что основной критерий пригодности того или иного материала для использования в качестве активного слоя термооптического затвора - это значение плотности падающей на затвор энергии ¿', при которой затвор срабатывает за 1 не.

Расчет для наиболее перспективных металлов даёт следующие значения:

Металл Al Cd г Cs Mg к Zn ll-

Е, Дж/м2 5900 4700 1800 2100 3000 2600 ago

Оптические характеристики:

- сравнительно высокую отражательную способность в виде гонких плёнок в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра имеют благородные металлы и алюминий. Характерные толщины плёнок с приемлемыми характеристиками - 300-600 нм;

- отражательная способность, поглощение света плёнками во многом зависят от метода их нанесения на стекло;

- отражательная способность зеркал при прохождении света сквозь подложку меньше, чем при освещении зеркал со стороны металла.

Рассмотренные металлы должны быть нанесены на стеклянную или кварцевую подложку в виде тонкопленочных структур. Практически все материалы,

Рис. б. Автореакторный корпус термооптического затвора

пригодные для использования в качестве рабочего вещества затвора, являются химически не устойчивыми в обычной атмосфере, требуют защиты от контакта с атмосферой как в процессе изготовления, так и при эксплуатации в составе затвора.

Щелочные металлы Се и К взаимодействуют с кислородом и влагой воздуха с практически мгновенным разрушением тонких плёнок из этих материалов при выносе их на воздух. Остальные металлы подвергаются на воздухе медленному окислению. При требующейся толщине плёнок в десятки-со! ни нанометров их параметры могут необратимо измениться за минуты-десятки минут .

Оптические параметры тонких плёнок металлов также в значительной степени определяются тем, что структура плёнок толщиной менее 10+50 нм имеет зернистый, не сплошной характер, степень зернистости зависит от метода нанесения плёнок на подложки. Для нанесения таких плёнок используют термическое напыление в вакууме, катодное распыление в тлеющем разряде в инертной разреженной среде, магнетронное распыление в инертной разреженной среде.

Важное значение имеет обеспечение контроля за толщиной наносимой плёнки в процессе напыления.

Для создания макета термооптического затвора и его последующего экспериментального исследования в качестве зеркальных слоев были выбраны магний и калий. Получение пленок магния проводилось методом вакуумного напыления в соответствии со стандартными процедурами, применяемыми в оптической промышленности при изготовлении высококачественных зеркал.

Далее в диссертации описаны результаты разработки специальных корпусов термооптических затворов, предназначенных для предотвращения их деградации при взаимодействии с газами открытой атмосферы. Были разработаны два варианта корпуса:

Рис. 7. Корпус-таблетка гермооптического ¡атвора

- в виде стеклянной колбы, с внутренней стороны плоского окна которой расположен зеркальный слой, со встроенным испарителем щелочного металла (так называемый автореакторный корпус);

- корпус-таблетка, изготовление которого предусматривает напыление щелочного металла, получение вакуума и герметизацию в одном вакуумном цикле, без промежуточной экспозиции деталей в открытой атмосфере.

Кроме высокой химической активности щелочные металлы обладают пло-' хой адгезией к стеклу, что затрудняет их использование со стандартными оптическими материалами. Известно, однако, что щелочные металлы обладают хо-I рошей адгезией к некоторым другим металлам, например к хрому. Хром, в свою очередь, обладает в тонких пленках хорошей адгезией к стеклу и техиоло-1 гия его вакуумного напыления хорошо отработана. Поэтому было принято решение создать двухслойную структуру затвора - сначала на стеклянную шайб} его основания наносится тонкая пленка хрома так, чтобы ее поглощательная способность не превышала 10 % (согласно расчетам, толщина должна составить 1 примерно 10 нм), а затем уже осаждается пленка цезия.

I Основой конструкции автореакторного корпуса термооптического затвора.

представленного на рис. 6, является цилиндрическая трубка /, к торцам которой I герметично приварены плоские полированные стеклянные шайбы 2 и .1 Внутри образовавшегося корпуса на электрических вводах 4 и держателях 5 закреплены ампула 7 с испаряющимся металлом - калием, натрием или цезием, и источник хрома 8. Камера откачивается через штеягель, не показанный на рисунке, который после откачки отпаивается от откачного поста. На первом этапе производиться напыление полупрозрачной пленки хрома на внутреннюю сторону рабочего окна 2, технология получения такой пленки подробно описывается в разделе 3. На следующем этапе нагревается ампула 7 и на тонкий подслой хрома напыляется плёнка затворного зеркального слоя 6; толщина слоев кон гроли-руется в процессе напыления гго их прозрачности.

Габариты конструкции: диаметр 40 мм, длина 60 мм.

Рассмотренный вариант корпуса со встроенным испарителем является макетным. Его особенностью является возможность оптического контроля коэффициентов отражения и пропускания напыляемой тонкой пленки щелочною металла и адгезивного подслоя за счет особого размещения испари 1слеп и и>. пользования плоских прозрачных окон. Указанный оптический контроль проводится на исследовательском стенде, описанном в далее, что дает возможность совместить процедуры приготовления зеркального слоя, объективного контроля его оптических характеристик и испытания в режиме затвора на лучевую прочность.

Далее в диссертации рассмотрен вариант с корпусом-таблеткой. Корпус-таблетка состоит из двух полированных стеклянных дисков / и 2 диаметром 17 мм и толщиной 2 мм, собранных в пакет с зазором между плоскостями равным примерно 10 мкм, соединенных герметичной пайкой 5 по периметру. На внутренних поверхностях дисков нанесены: на одном - зеркальное покрытие 3 щелочным металлом, на другом - слой 4 щелочного металла, служащий для восстановления зеркального покрытия при его прожигании лазерным импульсом (рис. 7).

Далее в диссертации описаны результаты исследования оптических характеристик тонких металлических пленок магния, калия, цезия и натрия, полученные впервые. На рис. 8 в качестве примера приведен график отражательной способности пленки магния толщиной 0,1 мкм.

Далее в диссертации приведены методика и результаты исследования функциональных характеристик термооптических затворов на основе магния.

Время срабатывания оптического пассивного затвора по расчетам составляет единицы наносекунд. Следовательно, испытательный стенд и методика

1.0

0,9

л о о

о к го

5 о,б ^

aj ь

га *

со

6 0,5 О

0,4

Рис. 8. Отражательная способность пленки магния толщиной 0.1 мкм

Т-,-1-.-1-,-1---1-.-1---1-,-1—,—г

■ ■ ■ ..............

400 600 600 700 800 900 1000 1100 1200 длина волны излучения, нм

измерений должны обеспечивать уже субнаносекундное временное разрешение. Оптико-механическая схема разработанного при непосредственном участии соискателя испытательного стенда представлена на рис.9, использованы обозначения: / - твердотельный лазерный излучатель на иттрий-алюминиевом. гранате; длительность импульса около 5 не, мощность в импульсе < 10х Вт на длине волны 1,06 мкм, частота следования импульсов 1 - 100 Гц; 2 ■ удвоитель частоты, механически перемещаемый внутри корпуса излучателя; 3 - телескоп-расширитель, необходимый для уменьшения расходимости излучения лазера, линейное увеличение 10; 4 - набор сменных светофильтров; 7 и 24 - быстродействующие регистраторы оптического излучения; 5, 8, 11, 12, 13, 25 -непрозрачные зеркала; 9 и 10 - полупрозрачные зеркала; 23 - калориметрический измеритель импульсной лазерной мощности; б и 18 - объективы; 20 - осветитель; 21 - бинокулярный микроскоп с увеличением 300х.

Исследуемый образец затвора 14 прижимается герметизирующим кольцом 15 к окну вакуумированной камеры 16 (либо полностью ее заменяет). Камера через патрубок 17 откачивается вакуумным насосом. Излучение фокусируется на рабочей поверхности образца объективом 18. Камера закреплена па столике, перемещаемом по аэростатическим направляющим 19 и 19' в горизонтальной

Рис. 9. Оптико-механическая схема стенда для исследования функциональных характеристик термооптичсских затворов с наносекундным временным разрешенном

плоскости.

Для подсветки образца сверху при визуальном наблюдении служит осве титель 20. Наблюдение ведется с использованием бинокулярной головки 21.

Для измерения времени отраженного от образцов излучения используется фотоэлемент 7, установленный в расходящемся световом потоке после зеркала 8, объектива 6 и передвижного зеркала 5, вводимого в ход лучей при измерении отраженного излучения. Для регистрации прошедшего сквозь затвор излучения, в результате его срабатывания, использовали фотоэлемент 24. Для измерения падающей на образец энергии лазерного импульса используется калориметр 23 типа ИКТ-1Н, вводимый вход лучей передвижным зеркалом 12.

Фотоэлементы 7 и 24 снабжены коаксиальным 50-омным сигнальным проводом, оканчивающимся стандартным разъемом для подключения к цифровому осциллографу.

Быстродействие затвора определяется двумя способами.

Лазерный пучок при падении на рабочую поверхность оптического пассивного затвора разделяется на два луча: отраженный от поверхности затвора, и прошедший сквозь поверхность затвора в результате его срабатывания. Следовательно, измеряя длительность отраженного луча, можно определить время срабатывания затвора (способ 1). Если измерить длительность импульса излучения прошедшего сквозь затвор, в результате его срабатывания, затем длительность второго импульса излучения, прошедшего через открытый затвор, и найти их разность, также можно получить время срабатывания затвора (способ 2).

Однако, если это время оказывается сопоставимым с постоянной времени измерительного тракта, то форма импульса будет искажена и погрешность измерения окажется слишком большой. Поэтому более точный результат можно получить, измеряя задержу прихода переднего фронта импульса прошедшего через затвор после его срабатывания луча по сравнению с передним фронтом импульса отраженного луча. Хотя форма передних фронтов световых импульсов будет также искажена, но степень изменения будет одинаковой, если использовать идентичные каналы регистрации и 2-х канальный осциллограф. Уникальность рассматриваемого испытательного стенда заключается в возможности- одновременно регистрировать любую пару лазерных лучей участвующих в проведении эксперимента.

Далее в диссертации представлены результаты экспериментальных исследований макетных образцов затворов четырёх типов (все - на основе магниевых пленок). Зеркальный слой термооптического затвора представлял собой пленку магния толщину не более 30 нм, которая оценивалась по пропусканию излучения на длине волны 1,06 мкм.

Прозрачность образцов на этой длине волны составила 0,5 -1,0 %, 7.....10 %.

20 %. В качестве примыкающих непосредственно к слою магния веществ использованы стекло марки К8 и нитроцеллюлоза. Поверхность активного слоя имела площадь 1 см". Излучение фокусировалось на поверхности активного слоя в пятно диаметром 10 50 мкм, контроль за фокусировкой был возможен

по наблюдавшемуся в области пятна свечению с помощью встроенного в установку бинокулярного микроскопа (увеличение.300*).

В экспериментальных исследованиях времени срабатывания макета пассивного затвора участвовали образцы четырех типов со следующими конструктивными параметрами:

Тип 1: стеклянная подложка, магниевая плёнка с пропусканием 1%.

Тип 2: стеклянная подложка, магниевая плёнка с пропусканием 10%.

Тип 3: стеклянная подложка, магниевая плёнка с пропусканием 20%.

Тип 4: стеклянная подложка, плёнка магния с пропусканием 1% нанесена на подслой из нитроцеллюлозы.

Воздействие излучения на экспериментальные образцы, как со стороны тонкопленочной структуры, так и со стороны стеклянной подложки, количественных изменений, в результаты измерения времени срабатывания затвора, не внесло.

На графике рис. 10, показана зависимость значений времени срабап.жания от плотности мощности поражающего излучения для 4-х образцов затвора. Каждая точка на этом графике является средним значением из пяти полученных экспериментальных результатов времени срабатывания определенного типа макета затвора, при воздействии излучения заданной интенсивности.

На образце №3 значения 2 и 3 (слева направо) можно считать промахами, что объясняется сложностью измерения наносекундных длительностей импульсов при высокой интенсивности излучения, а также временной и энергетиче-

4,0 3.5 3.0 2.5 2,0 1.5 1.0 0.5 0,0 -0.5

• — Образец —Образец №2 —Образец №3 —I— Образец №4

+-—

1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5.0 5.5

М-10П1ЦС1 Ь МОЩНОС! И II учен ЦП 1ЩД.1КН11СГО ПИ 1.11 Н<ф, \ II) 1! 1,'м

Рис. 10. Зависимост ь значений времени срабатывания макетных образцов термооптических затворов 4-х типов от плотности мощности управляющего излучения

ской нестабильностью генерации одиночных импульсов лазерного излучателя. Усреднение результатов эксперимента при неоднократном повторении измерений позволяет уменьшить погрешность полученных данных. Наименьшее время срабатывания показал образец №4, которое в среднем составило 0.63 не. Образец №4 представляет собой трехслойную структуру стеклянная подложка -пленка нитроцеллюлозы - пленка магния с общим коэффициентом пропускания двухслойной тонкопленочной структуры 1%.

Таким образом предварительные экспериментальные результаты по определению быстродействия пассивных оптических затворов в основном совпадают с теоретическими расчетами.

Далее в диссертации приведены результаты натурных испытаний макета термооптического затвора, проведенных при предъявлении указанной выше НИР Заказчику:

- время срабатывания, не................................................................................1,0

- световой диаметр, мм.................................................................................11,5

- достижимый световой диаметр, мм..........................................................25,0

- энергия срабатывания, Дж.............................................................(5-10)-10 х

- рабочий диапазон длин волн, мкм......................................................0.9-1. 2

- перспективный диапазон длин волн, мкм........................................0. 3-11.0

- коэффициент защиты (доля энергии ослепляющего лазерного импульса, проходящая к защищаемому оптоэлектронному устройству, зависит от длительности импульса ослепления)........(З -ЗООНО""'

- энергетические потери, вносимые затвором, %, не более.........................20

- технический ресурс, импульсов ослепления......................................I О4 -10"1

- перспективный технический ресурс, импульсов ослепления..................101'

- максимальная энергия ослепляющего импульса...............не лимитируется

Подводя итог диссертационной работы, можно сказать, что все заявленные

цели достигнуты и необходимые для их достижения задачи успешно решены.

В заключение хотел бы выразить благодарность своим коллегам, сотрудникам лаборатории Физических и образовательных проблем микротехнологий СГГА и ее научному руководителю профессору Чеснокову В.В. за плодотворную CQBMQCTHyio работу, постоянную поддержку и понимание.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. Разработана физическая модель процессов управления оптическими излучениями, основанных на термооптических эффектах в тонкопленочиых металлических структурах, сопровождаемых фазовыми переходами и инициируемых воздействием импульсного лазерного излучения, в том числе:

- основанных на возбуждении микродеформаций поверхности планарных микромеханических структур;

- основанных на локальном удалении тонкопленочной металлической структуры.

2. Разработаны физико-технические основы создания пассивных быстродействующих оптических затворов, функционирующих на принципе лазерного возбуждения термооптических эффектов в металлических тонкопленочных структурах.

3. Разработана методика исследования в реальном масштабе времени оптических и функциональных характеристик термооптических затворов, основанных на принципе локального необратимого удаления тонкоплепочмой металлической структуры и находящихся под воздействием лазерных импульсов наносекундной длительности.

4. Выработаны принципы проектирования термооптических затворов в зависимости от требующегося быстродействия, пороговой энергии срабатывания и длины волны воздействующего излучения.

5. Экспериментально исследованы оптические и функционал!,тле харак теристики термоонтических затворов, основанных на принципе локально то необратимого удаления тонкопленочной металлической структуры и находящихся под воздействием лазерных импульсов наносекундной длительности.

6. Определены оптические константы топких пленок щелочных и щелочноземельных металлов в видимом и ближнем РЖ-диапазоне спектра.

7. Определены факторы, ограничивающие быстродействие термооптических затворов, функционирующих на принципе локального необратимого удаления тонкопленочной металлической структуры.

8. Разработан экспериментальный стенд для исследования в реальном масштабе времени процессов взаимодействия импульсного лазерного излучения с термооптическими затворами с наносекундным временным разрешением.

9. Разработан, изготовлен и исследован макет микро.механическою термооптического затвора, функционирующего на принципе локального необратимого удаления тонкопленочной металлической структуры.

10. На макетном образце термооптического затвора продемонстрированы его защитные свойства, препятствующие проникновению в оптико-электронные приборы и системы поражающего лазерного излучения с последующим выводом из строя фотоприемных устройств.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Прудников. Н.В. Применение термоиидуцированных наноразмерныч поверхностных деформаций для ослабления импульсных световых потоков / Н.В. Прудников, В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков, С.Л. Шергин, В.Б. Шлн-шевский // Оптический журнал. - 2009. - № 2. - С.36-4).

2. Чесноков, Д. В. Возникновение самоупорядоченного рельефа в тонкопленочных структурах / Д.В. Чесноков, Д.М. Никулин, В.В. Чесноков, А.Е. Чесноков, B.C. Корнеев, С.Л. Шергин // Письма в ЖТФ. - 2004. - Т. 35. вып.14. - С.54-58.

3. Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Шергин СЛ. Технология лазерной очистки поверхностей in situ // ГЕО-Сибирь-2СЮ7. Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. Ч. 1 : сб. матер. II) Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2007», 25-27 апреля 2007 г., г.Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2007. - С. 158-162.

4. Чесноков Д.В., Шергин С.Л., Никулин Д.М. Лазерная перфорация тонкопленочных мембран // ГЕО-Сибиръ-2007. Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. Ч. 1 •. сб. матер. 111 Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Скбирь-2007», 25-27 апреля 2007 г., г.Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2007. - С.220-224.

5. Чесноков Д.В., Чесноков А.Е., Никулин Д.М., Корнеев B.C., Чесноков В.В.. Шергин СЛ. Самоформирование периодического рельефа в гонкопленоч-ных структурах // ГЕО-Сибирь-2008. Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. Ч. 2 : сб. Mai ер. IV Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2008», 22-24 апреля 2008 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2008. - C.7-J 0.

6. Чесноков Д.В., Чесноков В.В., Шергин СЛ. Физические ограничения быстродействия микромеханических устройств управления световыми потоками // ГЕО-Сибирь-2008. Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. Ч. 2 : сб. матер. IV Междунар. научн. конгресса «ГЕО~Сибирь-2008», 22-24 апреля 2008 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2008. - С.52-57.

7. Шергин СЛ., Никулин Д.М., Чесноков Д.В., Семенов В.Ю. Экспериментальное исследование оптических характеристик тонких пленок щелочных металлов // ГЕО-Сибирь-2008. Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. Ч. 2 : сб. матер. IV Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2008», 22-24 апреля 2008 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2008. - С.76-80.

В. Никулин Д.М., Шергин СЛ., Чесноков А.Е. Тонкопленочные мембранные микротрафареты для вакуумного напыления рисунков на подложки // Сборник научных трудов аспирантов и молодых ученых. - 2007. • Выпуск 4. - С.21-24.

9. Шергин СЛ., Чесноков Д.В. Испытательный стенд и методика проведения экспериментальных исследований динамических характеристик оптических пассивных затворов // ГЕО-Сибирь-2009. Т. 5. Оптико-физические и теплофизические исследования, микротехника и нанотехнологии .4.1: сб. матер. V Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2009», 20-24 апреля 2009 г., Новосибирск. - Новосибирск : СГГА, 2009. - С.205-209.

10. Прудников, Н.В. Применение термоиндуцированных нзноразмерных поверхностных деформаций для ослабления импульсных световых поз окоп Н.В. Прудников, В.В. Чесноков, Д.В. Чесноков, СЛ. Шергин, В.Б. Шли-шевский // Российское совещание по актуальным проблемам полупроводниковой'фотоэлектроники «Фотоника-2008» (Россия, Новосибирск, 19-23 августа 2008 г.): Тез. докл. - Новосибирск: ИФП СО РАН, 2008. - С.43.

11. Шлишевский В.Б., Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Шергин СЛ.. Корнесв B.C., Никулин Д.М. Исследование путей создания микромеханических оптических затворов с наносекундным быстродействием. Шифр «Стокер»: Отчет о НИР (заключит.) / СГГА; Рук. Шлишевский В.Б. - П> 1604169. Новосибирск, 2008. - 230 с.

12. Чесноков В.В., Чесноков Д.В., Шергин С.Л., Шлишевский В.Б., Прудников Н.В. Оптический пассивный затвор / Заявка №2008129556, Россия,- Приоритет от 17.07.2008.

Введение.

1. Обзор известных литературных источников по принципам функционирования оптических затворов.

1.1. Виды оптических затворов их назначение и классификация.

1.1.1. Механические затворы.

1.1.2. Электрооптические затворы.

1.1.3. Магнитооптические затворы.

1.1.4. Акустооптические затворы.

1.1.5. Фототропные затворы.

1.1.6. Ограничители излучения.

1.2. Основные закономерности процессов взаимодействия лазерного излучения с тонкопленочными структурами.

1.3. Поражающие факторы воздействия лазерного ослепляющего облучения на элементы фотоприёмных устройств.

1.3.1. Постановка задачи.

1.3.2. Действие наносекундных лазерных импульсов на поверхность полупроводниковых мишеней.

1.3.3. Действие лазерного излучения на глаз.

1.3.4. Анализ факторов поражающего действия лазерного излучения.

1.4. Обоснование выбора термооптических затворов с тонкопленочными структурами для целей защиты от поражающего воздействия лазерного излучения. Постановка задачи.

2. Разработка принципов создания термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами.

2.1. Физическая модель процессов управления оптическими излучениями, основанных на термооптических эффектах в тонкопленочных металлических структурах, сопровождаемых фазовыми переходами и инициируемых воздействием импульсного лазерного излучения.

2.1.1. Физическая модель процессов функционирования термооптического затвора с возбуждением микродеформаций поверхности планарных микромеханических структур.

2.1.2. Физическая модель процессов функционирования термооптического затвора с локальным удалением тонкопленочной металлической структуры.

2.1.3. Термооптический затвор с локальным удалением тонкопленочной металлической структуры и «самовосстановлением» прокола.

2.2. Факторы, ограничивающие быстродействие термооптических затворов, функционирующих на принципе локального удаления тонкопленочной металлической структуры.

2.3. Принципы создания термооптических затворов с локальным удалением тонкопленочной металлической структуры.

2.4. Основы конструирования термооптических затворов, функционирующих на принципе локального удаления тонкопленочной металлической структуры.

2.4.1. Принципы конструирования термооптических затворов с локальным удалением тонкопленочной металлической структуры.

2.4.2. Критерии выбора материала зеркального слоя затвора.

2.4.3. Оценочные расчеты основных параметров термооптического затвора.

2.5. Особенности конструирования оптико-электронных приборов, содержащих термооптический затвор с локальным удалением тонкопленочной металлической структуры.

3. Экспериментальное исследование принципов создания, конструирования и процессов функционирования термооптических затворов с локальным удалением тонкопленочной металлической структуры.

3.1. Основные требования к конструктивным и функциональным характеристикам термооптического затвора с локальным удалением тонкопленочной металлической структуры.

3.2. Разработка методов нанесения тонкопленочных металлических j структур термооптических затворов. 3.2.1. • Выбор состава тонкопленочных металлических структур ; " термооптического затвора.

3.2.2. Разработка конструкции автореакторного корпуса термооптического затвора и технология его сборки.

3.2.3. Изготовление герметичного корпуса в виде «таблетки».

3.2.4. Разработка и изготовление бескорпусных макетных образцов термооптических затворов.

3.2.5. Технологические особенности создания тонкопленочных металлических структур затворов.

3.3. Экспериментальное исследование оптических свойств и теплофизических характеристик тонких пленок щелочных и щелочноземельных металлов.

3.3.1. Экспериментальное" определение отражательной способности металлов в тонких пленках.

3.3.2. Спектральные характеристики тонких пленок некоторых металлов.

3.4. Разработка методики и проведение экспериментальных исследований функциональных и оптических характеристик термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами, находящихся под воздействием лазерных импульсов наносекундной длительности.

3.4.1. Разработка экспериментального стенда для исследования в реальном масштабе времени процессов взаимодействия импульсного лазерного излучения с термооптическими затворами с наносекундным временным разрешением.

3.4.2. Экспериментальные исследования функциональных и оптических характеристик макетных образцов термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами.

3.4.3. Проведение натурных испытаний термооптического затвора в составе оптико-электронной системы, содержащей фотоприемное устройство, защищаемое от поражающего действия лазерного излучения.

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"4 с. Оптический затвор взрывного типа позволяет открывать (закрывать) оптический тракт за время 10"5—10"6 с. Наибольшее быстродействие (10"9—10:1° 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, целеуказателей 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 ярких 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:

1. Разработкой физико-технических основ создания оптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами на основе термооптических процессов, инициируемых воздействием высокоэнергетического лазерного излучения.

2. Исследованием оптических свойств и теплофизических характеристик тонких пленок щелочных и щелочноземельных металлов.

3. Разработкой методики и проведением экспериментальных исследований функциональных и оптических характеристик термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами, находящихся под воздействием лазерных импульсов наносекундной длительности.

4. 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 новнзна 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 излучениями, основанных на термооптических эффектах в тонкопленочных металлических структурах, сопровождаемых фазовыми переходами и инициируемых воздействием импульсного лазерного излучения, в том числе:

- основанных на возбуждении микродеформаций поверхности планарных микромеханических структур;

- основанных на локальном удалении тонкопленочной металлической структуры.

2. Разработаны физико-технические основы создания пассивных быстродействующих оптических затворов, функционирующих на принципе лазерного возбуждения термооптических эффектов в металлических тонкопленочных структурах.

3. Разработана методика исследования в реальном масштабе времени оптических и функциональных характеристик термооптических затворов, основанных на принципе локального необратимого удаления тонкопленочной металлической структуры и находящихся под воздействием лазерных импульсов наносекундной длительности.

4. 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 ОД 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 термооптических затворов, функционирующих на принципе локального необратимого удаления тонкопленочной металлической структуры.

Теоретическая значимость работы

1. Разработана физическая модель процессов взаимодействия когерентного оптического излучения с тонкопленочными металлическими структурами, сопровождаемых фазовыми переходами вещества и термооптическими эффектами, в том числе:

- с возбуждением микродеформаций поверхности планарных микромеханических структур;

- с локальным удалением тонкопленочной металлической структуры.

2. Разработаны физико-технические основы создания пассивных быстродействующих оптических затворов, функционирующих на принципе лазерного возбуждения термооптических эффектов в металлических тонкопленочных структурах.

Практическая значимость работы

1. Выработаны принципы проектирования термооптических затворов в зависимости от требующегося быстродействия, пороговой энергии срабатывания и длины волны воздействующего излучения.

2. Определены оптические константы тонких пленок щелочных и щелочноземельных металлов в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра.

3. Разработан экспериментальный стенд для исследования в реальном масштабе времени процессов взаимодействия импульсного лазерного излучения с термооптическими затворами с наносекундным временным разрешением.

4. 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

1. 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.

3. Оптические константы тонких пленок щелочных и щелочноземельных металлов в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра.

4. Оптические свойства пленок Mg толщиной менее 0,1 мкм в диапазоне длин волн 0,4 -1,1 мкм.

5. Критерии выбора состава и толщины тонкопленочных металлических структур термооптических затворов в зависимости от требующегося быстродействия, пороговой энергии срабатывания и длины волны воздействующего излучения.

6. Факторы, ограничивающие быстродействие термооптических затворов, 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.

Заключение

Подводя итог диссертационной работы, можно сказать, что все заявленные цели достигнуты и необходимые для их достижения задачи успешно решены, а именно:

1. Разработана физическая модель процессов управления оптическими излучениями, основанных на термооптических эффектах в тонкопленочных металлических структурах, сопровождаемых фазовыми переходами и инициируемых воздействием импульсного лазерного излучения, в том числе: основанных на возбуждении микродеформаций поверхности планарных микромеханических структур;

- основанных на локальном удалении тонкопленочной металлической структуры.

2. Разработаны физико-технические основы создания пассивных быстродействующих оптических затворов, функционирующих на принципе лазерного возбуждения термооптических эффектов в металлических тонкопленочных структурах.

3. Разработана методика исследования в реальном масштабе времени оптических и функциональных характеристик термооптических затворов, основанных на принципе локального необратимого удаления тонкопленочной металлической структуры и находящихся под воздействием лазерных импульсов наносекундной длительности.

3 4. Выработаны принципы проектирования термооптических затворов в зависимости от требующегося быстродействия, пороговой энергии срабатывания и длины волны воздействующего излучения.

5. 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.

6. Определены оптические константы тонких пленок щелочных и щелочноземельных металлов в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра.

7. Определены факторы, ограничивающие быстродействие термооптических затворов, функционирующих на принципе локального необратимого удаления тонкопленочной металлической структуры.

I 8. Разработан экспериментальный стенд для исследования в реальном масштабе времени процессов взаимодействия импульсного лазерного излуче-s ния с термооптическими затворами с наносекундным временным разрешением.

9. Разработан, изготовлен и исследован макет микромеханического термооптического затвора, функционирующего на принципе локального необратимого удаления тонкопленочной металлической структуры.

10. На макетном образце термооптического затвора продемонстрированы его защитные свойства, препятствующие проникновению в оптико-электронные приборы и системы поражающего лазерного излучения с последующим выводом из строя фотоприемных устройств.

В заключение приведем результаты натурных испытаний макета термооптического затвора, полученных в ходе НИР «Исследование путей создания микромеханических оптических затворов с наносекундным быстродействием» выполненной по заказу Минобороны РФ:

- время срабатывания, не.1,0

- световой диаметр, мм.11,5

- достижимый световой диаметр, мм.25,0

- энергия срабатывания, Дж.(5-10)-10"8

- рабочий диапазон длин волн, мкм.0,9-1, 2

- перспективный диапазон длин волн, мкм.0, 3-11,0

- коэффициент защиты (доля энергии ослепляющего лазерного импульса, проходящая к защищаемому оптоэлектронному устройству, зависит от длительности импульса ослепления).(3-300)-10"5

- энергетические потери, вносимые затвором, %, не более.20

- технический ресурс, импульсов ослепления.104-105

- перспективный технический ресурс, импульсов ослепления.106

- максимальная энергия ослепляющего импульса.не лимитируется

1. Guliano C.R., Hess L.D. IEEE J. Quantum Electron., 3, 358 (1967).

2. Tutt L.W., Boggess T.F. Progr. Quantum Electron., 17, 299 (1993).

3. Przhonska O., Lim J.H., Hagan D.J., Van Stryland E.W., Bondar M.V., Slom-insky Y.L. J. Opt. Soc. Am. B, 15, 802 (1998).

4. Сидоров А.И. Искажение пространственного распределения лазерного луча при отражении от УОг-зеркала // Письма в ЖТФ. 1998. - Т. 24, № 5. - С. 17-22.

5. Данилов О.Б., Жевлаков А.П., Сидоров А.И. и др. Воздействие интенсивного лазерного излучения на управляемые У02-зеркала // Оптический журнал. -2000. Т 67, №6. - С 31-38.

6. Danilov О.В., Belousov V.P., Belousova I.M. et al. Nonlinear optical limiters of laser radiation on base of reverse saturable absorption and stimulated reflection // Proc. SPIE. 1998. - Vol. 3263. - P. 124-130.

7. Баграташвипи B.H., Летохов B.C., Макаров A.A., Рябов E.A. Многофотонные процессы в молекулах в инфракрасном поле // Итоги науки и техники. Сер. Физика атома и молекулы. Оптика. Магнитный резонанс. 1980. Т.2, часть 1.

8. Басов Н.Г., Галочкин В.Т., Картышев В.Г. и др. Особенности поглощения молекулами SF6 больших интенсивностей ИК излучения // ЖЭТФ. 1977. Т. 72, вып. 3. С. 918-927.

9. Тульский С.А., Ячнев ИМ. Особенности поглощения интенсивного лазерного ИК излучения плотным молекулярным газом // Оптический журнал. 2001. Т. 68, №10. С. 32-36.

10. Криксунов Л.З., Падалко Ж.Ф. Тепловизоры. Киев: Техника, 1987. С. 8.

11. Белоусова И.М., Миронова Н.Г., Юрьев М.С. Теоретическое исследование нелинейного ограничения лазерной мощности углеродными суспензиями //Опт. и спектр. 2003. Т. 94. № 1. С. 93-98.

12. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М.: Наука, 1972. 312 с.

13. Рубинов А.Н., Корда И.М. Квантовая электроника, № 4(16), 96 (1973).

14. Корда И.М., Рубинов А.Н. Квантовая электроника, 8,1877 (1974).

15. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика: Учебник —М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998.Гос. изд. физ.-мат. лит-ры, 1961.—656 с.

16. Взаимодействие лазерного излучения с металлами / А. М. Прохоров, В. И. Конов, И. Урсу, И. Н. Михэилеску. — М.: Наука, 1988.

17. Лазнева, Э. Ф. Лазерная десорбция / Э. Ф. Лазнева. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1990.

18. Сивухин, Д. В. Общий курс физики: В 2 т. Т.2. Термодинамика и молекулярная физика / Д. В. Сивухин. — М.: Наука, 1990.

19. Физические величины: Справ. / под. ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мей-лихова. — М.: Энергоатомиздат, 1991. — 1232 с.

20. Optical properties of metals I: the transition metals. / J. H. Weaver, C. Krafka, D. W. Lynch, E. E. Koch. — Karlsruhe, FRG: Fachinformationzentrum, 1981. —300 pp.

21. Hagemann, H.-J. Optical constants from the far infrared to the X-ray region: Mg, Al, Cu, Ag, Au, Bi, С and A1203 / H.-J. Hagemann, W. Gudat, C. Kunz // J. Opt. Soc. Am. — 1975. — Vol. 65, no. 6. — Pp. 742-744.

22. Дьюли, У. Лазерная технология и анализ материалов / У. Дьюли. — М.: Мир, 1986.

23. Вейко, В. П. Лазерная обработка пленочных элементов / В. П. Вейко. —Л.: Машиностроение, 1986.

24. Действие излучения большой мощности на металлы / С. И. Анисимов, Я. А. Имас, Г. С. Романов, Ю. В. Ходыко. — М.: Наука, 1970.

25. Арутюнян, Р. В. Воздействие лазерного излучения на материалы / Р. В. Арутюнян, В. Ю. Баранов, Л. А. Большое. — М.: Наука, 1989.

26. Рэди, Д. Действие мощного лазерного излучения / Д. Рэди. — М.: Мир, 1974.

27. Бахарев, М. С. Структура и прочность материалов при лазерных воздействиях / М. С. Бахарев, Л. И. Миркин, С. А. Шестериков. — М.: изд-во Моск. универ., 1988. — 224 с.

28. Грасюк, А. 3. Взаимодействие полупроводников с интенсивными световыми потоками / А. 3. Грасюк, И. Г. Зубарев // ФТП. — 1969. — Т. 3, №5. — С. 677-680.

29. Володькина, В. П. Кинетика теплового пробоя полупроводников под действием света / В. П. Володькина, В. П. Комолов // ЖТР. — 1975. — Т. 45, №1. —С. 134-137.

30. Sooy, W. R. Switching of semiconductor reflectivity by a giant pulse laser / W. R. Sooy, M. Geller, D. P. Bertfeld // Appl. Phys. Lett. — 1964. — Vol. 5, no. 3.1. Pp. 54—56.

31. Исследование путей создания микромеханических затворов с наносе-кундным быстродействием: Отчет о НИР (окончат.) /В. Б. Шлишевский, В. В; Чесноков, Д. В. Чесноков и др.; СГТА; Руководитель Шлишевский В. Б. № ГР 1604169. — Новосибирск, 2008.

32. Кондрашев, В. Е. Оптика фотокатодов / В. Е. Кондрашев. — М.: Наука, Гл. ред. ф.-мат. лит-ры, 1976.

33. Ермаков, О. Н. Прикладная оптикоэлектроника / О. Н. Ермаков. — М.: Техносфера, 2004.

34. Зи, С. Физика полупроводниковых приборов: в 2-х книгах, Кн.2. Пер. с англ. / С. Зи. — М.: Мир, 1984.

35. Фистуль, В. И. Сильно легированные полупроводники / В. И. Фистуль. —М.: Наука, Гл. ред. ф.-мат. лит-ры, 1967.

36. Барачевский В.А. и др. Фотохромизм и его применения // Изд-во «Химия», М. 1977.-280 с.

37. Weiya Zhang and Mark G. Kuzykf Optical limiting using Laguerre-Gaussian beams//arXiv:0709.4289v2 physics.optics. 14 Nov 2007

38. B. L. Justus at all. Thermal-defocusing/scattering optical limiter //Optics Letters, May 1, 1994, Vol 19, №9.

39. Hui Pan, Weizhe Chen, Yuan Ping Feng, and Wei Jia. Optical limiting properties of metal nanowires// APPLIED PHYSICS LETTERS 88, 223106 2006

40. George L. Fischer, Robert W. Boyd, Thomas R. Moore, J. E. Sipe. Nonlinear-optical Christiansen filter as an optical power limiter//October 15, 1996 / Vol. 21,No. 20 / OPTICS LETTERS.

41. Каманина H. В. Фотофизика фуллереносодержащих сред: ограничители лазерного излучения, дифракционные элементы, диспергированные жидкокристаллические модуляторы света. // Нанотехника. №1 2006.

42. Белоусов Н.М. и др.Нелинейно-оптические ограничители лазерного излучения на суспензиях углеродных и фуллероидных наночастиц.// Оптический журнал. Том 71, №3, март 2004.

43. J.W. Perry. Organic Limiter with a Strong Nonlinear Absorptive Response. //Science, Vol. 273,13 September, 1996.

44. Копылова T H. и др. Ограничитель интенсивности лазерного излучения на основе полиметиновых красителей. //Квантовая электроника. Том 36(3), март 2006.

45. Танеев Р.А. и др. Влияние нелинейной рефракции и двухфотонного поглощения на процессы оптического ограничения в плёнках аморфных халько-генидов.//Физика твёрдого тела. 2003 г., Том 45, вып. 2.

46. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев: Наукова Думка, 1988. - 736 с.

47. Справочник химика. Т. 1: Общие сведения, строение вещества, свойства важнейших веществ, лабораторная техника. JI.-M.: Химия, 1966. — 1080 с.

48. Карлов Н.В., Кириченко Н.А., Лукьянчук Б.С. Лазерная термохимия. -М.: Наука, 1992.-296 с.

49. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. М. - Л., 1951, 288 стр.

50. Гува А.Я. Краткий теплофизический справочник. Новосибирск: «Сибвузиздат», 2002. - 300 с.

51. Ванюков М. Формирование мощных импульсов с крутым передним фронтом в лазерной системе с пассивными нелинейными элементами / М. Ванюков // Квантовая электроника. — 1971. -№1.

52. Саржевский, А. М. Оптика. Полный курс / А. М. Саржевский. — М.: Едиториал УРСС, 2004.

53. Слюсарев, Г. Г. Расчет оптических систем / Г. Г. Слюсарев. — Л.: Машиностроение, 1975.

54. Лебедева, В. В. Экспериментальная оптика / В. В. Лебедева. — М.: Изд-во МГУ, 1994.

55. Соколов, А. Н. Оптические свойства металлов / А. Н. Соколов. — М.: Гос. изд. физ.-мат. лит-ры, 1961.

56. Розенберг, Г. В. Оптика тонкослойных покрытий / Г. В. Розенберг. — М.: Гос. изд. физ.-мат. лит-ры, 1958.

57. Direct deposition of metal film patterns using nitrogen laser / E. F. Reznik-ova, V. V. Chesnokov, G. I. Zharkova, I. K. Igumenov // J. de Physique IV. 1995. — Vol. C5. — Pp. C5-687-694.

58. Криксунов, JI. 3. Справочник по основам инфракрасной техники / JI. 3. Криксунов. — М.: Сов. Радио, 1978.