一種複合型光限幅器的製造方法
2023-07-13 07:03:31 2
一種複合型光限幅器的製造方法
【專利摘要】一種複合型光限幅器，包括沿入射光入射方向依次設置的第一石英比色皿和第二石英比色皿，且第一石英比色皿的入射光出射面和第二石英比色皿入射光的入射面相接觸，第一石英比色皿內盛放有單壁碳納米管分散液，第二石英比色皿內盛放有單層石墨烯分散液。本發明通過具有高損傷閾值的單壁碳納米管分散液作用，可保證限器件在大能量動態範圍內起到限幅防護作用；通過具有強限幅能力的單層石墨烯分散液作用，能夠保證器件通過兩級限幅作用後具有超低的限幅輸出；本發明結合了單層石墨烯限幅閾值低和單壁碳納米管損傷閾值高的優勢，具有限幅閾值低、動態範圍大、適用光譜範圍寬的優點。本發明具有結構簡單，成本低廉的特點。
【專利說明】一種複合型光限幅器【技術領域】
[0001]本發明屬於雷射防護【技術領域】，具體涉及一種複合型光限幅器及其限幅方法。
【背景技術】
[0002]雷射作為一種特殊光源在科技、醫學、生產以及國防領域中發揮著越來越重要的作用。隨著大功率雷射技術的發展和完善，雷射在現代軍事中得到了迅速發展，雷射致盲和雷射武器更多的出現在現代戰場上。面臨新型雷射武器的威脅，研製新型的雷射限幅防護器件已成為現代國防科技中的亟需解決的關鍵科技問題。此外，隨著雷射在科技和生產生活中的應用日趨廣泛，雷射防護的重要性也越顯突出。
[0003]目前，人們在光限幅研究方面已經做了大量的工作。光限幅材料基於各種非線性光學效應，包括非線性吸收、非線性折射或非線性散射等，表現為常光照射下的高透過率和高強度雷射照射下的低透過率。研究所使用的光限幅材料多種多樣，其中以碳材料最為典型，如炭黑懸浮液、C6tl等。然而理想的光限幅器件要求同時具有寬的光譜範圍、低的限幅閾值，以及大的動態使用範圍。而現有的光限幅器件卻受到很多條件的限制無法達到理想的光限幅器件的要求。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種複合型光限幅器，該複合型光限幅器結構簡單，價格低廉，能夠使入射光具有低限幅閾值、大動態範圍的限幅輸出以及寬光譜範圍。
[0005]為了達到上述目的，本發明實施的技術方案如下:包括沿入射光入射方向依次設置的第一石英比色皿和第二石英比色皿，且第一石英比色皿的入射光出射面和第二石英比色皿入射光的入射面相接觸，第一石英比色皿內盛放有單壁碳納米管分散液，第二石英比色皿內盛放有單層石墨烯分散液。
[0006]所述的第一石英比色皿和第二石英比色皿的通光路徑均為2_5mm。
[0007]所述的單層石墨烯分散液和單壁碳納米管分散液的線性透過率均為60-90%。
[0008]所述的單層石墨烯分散液以及單壁碳納米管分散液均是採用超聲降解法製備的。
[0009]所述的超聲時間為0.5_3h。
[0010]所述的單層石墨烯分散液的溶劑為甲苯、氯苯或酒精，單壁碳納米管分散液的溶劑為N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲醯胺或N，N-二甲基乙醯胺。
[0011]與現有技術相比，本發明的有益效果在於:
[0012]本發明在沿入射光入射方向依次設置的第一石英比色皿和第二石英比色皿，且第一石英比色皿內盛放有單壁碳納米管分散液，第二石英比色皿內盛放有單層石墨烯分散液。因此，本發明結構簡單，價格低廉，非常適用於雷射防護系統，且入射光首先會經過碳納米管分散液產生非線性散射實現一級限幅，經過一級限幅後出射的雷射能量有所減弱，因此可保證入射到單層石墨烯分散液雷射能量低於其損傷閾值；入射光經過第一級限幅輸出後通過單層石墨烯分散液產生第二級限幅，從而實現入射光的超低限幅閾值輸出；同時由於單壁碳納米管的第一級限幅保護，該限幅器可對高能量雷射脈衝產生限幅作用而不產生光學損傷；因此，本發明結合了單層石墨烯的超低限幅閾值，以及單壁碳納米管損傷閾值高的優點，使本發明具有低限幅閾值、大能量動態範圍和寬光譜適用範圍。
[0013]進一步，本發明所採用的單層石墨烯分散液是以甲苯、氯苯或酒精為溶劑，這些溶劑具有較小表面張力，可在保證石墨烯分散液穩定性的同時，使單層石墨烯分散液具有更優異的限幅防護能力，可實現超低閾值限幅輸出。
[0014]進一步，本發明所採用的單壁碳納米管分散液是以N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲醯胺或N，N- 二甲基乙醯胺劑為溶劑，這些溶劑的表面張力比較大，使單壁碳納米管分散液在產生限幅作用的同時具有更高的損傷閾值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1本發明的限幅工作原理示意圖；
[0016]圖2對脈寬10ns、波長532nm納秒雷射限幅效果圖；其中，a為單層石墨烯氯苯分散液，b為單壁碳納米管N-甲基吡咯烷酮分散液，c為本發明；
[0017]圖3本發明對脈寬10ns、波長1064nm納秒雷射限幅效果圖；其中，a為單層石墨烯氯苯分散液，b為單壁碳納米管N-甲基吡咯烷酮分散液，c為本發明；
[0018]其中，1、第一石英比色皿，2、第二石英比色皿，3、第一透鏡，4、第二透鏡，5、探測器。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0020]參見圖1，本發明包括沿入射光入射方向依次設置的第一石英比色皿I和第二石英比色皿2，且第一石英比色皿I的入射光出射面和第二石英比色皿2入射光的入射面相接觸，第一石英比色皿I內盛放有單壁碳納米管分散液，第二石英比色皿2內盛放有單層石墨烯分散液，且單壁碳納米管分散液和單層石墨烯分散液的線性透過率均為60-90%。
[0021]其中，所述的第一石英比色皿I和第二石英比色皿2的通光路徑均為2_5mm，壁厚均為 0.5_lmm。
[0022]所述的單層石墨烯分散液以及單壁碳納米管分散液均是採用超聲降解法製備的，採用的超聲時間2h，且單層石墨烯分散液的溶劑為表面張力較小的甲苯、氯苯或酒精，單壁碳納米管分散液的溶劑為表面張力較大的N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲醯胺或N，N-二甲基乙醯胺。
[0023]如圖1所示，入射光經第一透鏡3後通過盛放於第一石英比色皿I內的碳納米管分散液產生非線性散射實現一級限幅，然後通過緊靠其後的盛放於第二石英比色皿2內的石墨烯分散液產生二級限幅，強光經過一級限幅後可保證其限幅輸出低於石墨烯分散液的損傷閾值；經過二級限幅後可實現超低限幅閾值輸出，同時具有很高的損傷閾值。從石墨烯分散液中出來的入射光通過第二透鏡4後進入探測器5，探測器5對經過本發明複合型光限幅器作用後的雷射脈衝能量進行監測。
[0024]下面結合附圖給出本發明複合型光限幅器的實施例。
[0025]參見圖1，本發明包括沿入射光入射方向依次設置的第一石英比色皿I和第二石英比色皿2，且第一石英比色皿I的入射光出射面和第二石英比色皿2入射光的入射面相接觸，第一石英比色皿I內盛放有單壁碳納米管N-甲基吡咯烷酮分散液(SWNTs-NMP)，第二石英比色皿2內盛放有單層石墨烯氯苯分散液(Graphene-CB),且單壁碳納米管N-甲基卩比咯烷酮分散液和單層石墨烯氯苯分散液的線性透過率均為70%。
[0026]其中，所述的第一石英比色皿I和第二石英比色皿2的通光路徑均為5mm，壁厚均為1_。單壁碳納米管N-甲基吡咯烷酮分散液和單層石墨烯氯苯分散液均是採用超聲降解法製備的，超聲時間為2h。
[0027]如圖2所示，圖2給出了利用脈寬10ns、波長532nm的Nd3+ = YAG脈衝雷射測試的光限幅輸入-輸出關係。
[0028]單層石墨烯氯苯分散液的限幅輸出約為0.05J/cm2,損傷閾值約為0.3J/cm2 (參見圖2a)。單壁碳納米管N-甲基吡咯烷酮分散液的閾值在1.2J/cm2以上，限幅輸出約為
0.29J/cm2，接近單層石墨烯氯苯分散液的損傷閾值(參見圖2b)。
[0029]本發明複合光限幅器由於單壁碳納米管的限幅保護作用，當輸入能量密度很高時，入射到單層石墨烯氯苯分散液的能量密度仍低於單層石墨烯氯苯分散液的損傷閾值，因此可以實現低限幅閾值、大動態範圍的限幅輸出。該複合型光限幅器對532nm納秒雷射的損傷閾值可高於1.2J/cm2,限幅輸出可低於0.05J/cm2 (參見圖2c)。
[0030]圖3給出了脈寬10ns、波長1064nm的NcT = YAG脈衝雷射測試的光限幅輸入-輸出關係。
[0031]單層石墨烯氯苯分散液的限幅閾值約為0.2J/cm2,損傷閾值約為0.4J/cm2(參見圖3a)。單壁碳納米管N-甲基吡咯烷酮分散液的閾值在1.2J/cm2以上，限幅輸出約為0.23J/cm2，低於單層石墨烯氯苯分散液的損傷閾值(參見圖3b)。
[0032]本發明複合光限幅器對1064nm波長納秒雷射的損傷閾值可高於1.2J/cm2,限幅輸出可低於0.05J/cm2 (參見圖2c)。
[0033]由此可見，本發明複合光限幅器不僅具有損傷閾值高、限幅能力強的優點，同時本發明相應的雷射波長從532nm到1064nm，因此還具有響應光譜範圍寬的特點。
[0034]本發明利用損傷閾值高的單壁碳納米管分散液作為限幅器的一級防護，可保證器件在較大動態能量範圍內具有較低的限幅輸出；利用限幅閾值超低的單層石墨烯分散液作為二級防護，使經過一級限幅輸出後的入射光具有更低的限幅輸出；由於兩種材料的光限幅響應均起源於非線性散射機制，因此具有響應帶寬寬、速度快的優點。該限幅器結合了單層石墨烯限幅閾值低和單壁碳納米管損傷閾值高的優勢，具有限幅閾值低、動態範圍大、適用光譜範圍寬的優點。本發明具有結構簡單，成本低廉的特點，非常適用於雷射防護系統。
[0035]作為一級防護的單壁碳納米管是一種典型的一維納米材料，其分散液在受到強光照射後容易產生微氣泡，進而產生非線性散射，因此可用以製備光限幅器件。基於單壁碳納米管的光限幅器具有帶寬寬、響應時間短、限幅閾值較低、損傷閾值高的特點。
[0036]石墨烯是近年發展起來的一種二維碳納米材料，其力學、電學性質以及導熱性能都是現有材料中最好的，在新材料、新能源、電子、信息以及航空航天等多個領域備受關注。本發明作為二級防護的單層石墨烯分散液在強光照射後，容易發生非線性散射，產生光限幅效應，因此非常適於製備具有超低限幅閾值的光限幅器件。相比較於單壁碳納米管，單層石墨烯分散液受到強光照射後雖然更容易產生限幅效應，但是同時比較容易產生光學損傷，因此所製備限幅器件的損傷閾值較低，很難在較大的能量動態範圍內使用。儘管石墨烯和碳納米管在雷射限幅防護應用方面都表現出各自的優勢，因此，如何將兩種材料的優勢相結合以實現具備上述優點的光限幅器件，是本發明的主要目的。
【權利要求】
1.一種複合型光限幅器，其特徵在於:包括沿入射光入射方向依次設置的第一石英比色皿(I)和第二石英比色皿(2)，且第一石英比色皿(I)的入射光出射面和第二石英比色皿(2)入射光的入射面相接觸，第一石英比色皿(I)內盛放有單壁碳納米管分散液，第二石英比色皿(2)內盛放有單層石墨烯分散液。
2.根據權利要求1所述的複合型光限幅器，其特徵在於:所述的第一石英比色皿(I)和第二石英比色皿(2)的通光路徑均為2-5mm。
3.根據權利要求1所述的複合型光限幅器，其特徵在於:所述的單層石墨烯分散液和單壁碳納米管分散液的線性透過率均為60-90%。
4.根據權利要求1、2或3所述的複合型光限幅器，其特徵在於:所述的單層石墨烯分散液以及單壁碳納米管分散液均是採用超聲降解法製備的。
5.根據權利要求4所述的複合型光限幅器，其特徵在於:所述的超聲時間為0.5-3h。
6.根據權利要求4所述的複合型光限幅器，其特徵在於:所述的單層石墨烯分散液的溶劑為甲苯、氯苯或酒精，單壁碳納米管分散液的溶劑為N-甲基吡咯烷酮、二甲基甲醯胺或N，N-二甲基乙醯胺。
【文檔編號】G02F1/35GK103576412SQ201310492343
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月18日 優先權日:2013年10月18日
【發明者】閆理賀, 司金海, 熊耀兵, 宋洪磊, 陳烽, 侯洵 申請人:西安交通大學