Нелінійно-оптичний матеріал для обмеження потужності лазерного випромінювання

Реферат: Нелінійно-оптичний матеріал для обмеження потужності лазерного випромінювання являє собою дисперсну систему з полімерним каркасом і плинним дисперсійним середовищем, куди внесені іони перехідних металів, ліганди для утворення з даними іонами комплексних сполук з сильним світлопоглинанням та ліганди для утворення з даними іонами комплексних сполук зі слабим світлопоглинанням. Дисперсійним середовищем і водночас лігандом для утворення комплексних сполук зі слабим світлопоглинанням є вода, що містить сполуки органічних барвників. UA 93745 U (12) UA 93745 U UA 93745 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до оптичних матеріалів, зокрема вона може бути використана як матеріал з властивостями обмеження потужності лазерного випромінювання в червоній та ближній ІЧ областях спектра, а саме стосується нелінійно-оптичних матеріалів для обмеження потужності лазерного випромінювання. Матеріали з такими властивостями застосовуються у засобах захисту зору та світлочутливих пристроїв, просторової фільтрації зображень та корегування просторових характеристик лазерних пучків. Головними характеристиками цих матеріалів є світлочутливість, діапазон зміни прозорості, час відновлення прозорості після припинення опромінення, просторова роздільна здатність. Впродовж тривалого часу основним матеріалом для створення вказаних засобів було галоїдомідне (галоїдосрібне) фотохромне скло [1]. Як правило, цей матеріал використовується у вигляді пластин товщиною ≥1 мм, пропускання яких при опроміненні зменшується від 80-90 % до 1-10 %. Відносно велика товщина пластин помітно зменшує просторову роздільну здатність при фільтрації зображень. Іншими недоліками є низька швидкодія (час відновлення прозорості 2 ~10 с), складна технологія виготовлення, а відтак - висока вартість. В останні роки широке розповсюдження здобули матеріали, що являють собою фото- та термохромні сполуки, поміщені у полімерну матрицю [2]. Технологія їх виготовлення є більш -1 простою та дешевою, і вони можуть застосовуватися у вигляді плівок малої товщини (-10 мм та менше), що дозволяє зменшити час відновлення прозорості та збільшити просторову роздільну здатність при фільтрації зображень. Відомі матеріали на основі фотохромних органічних сполук [2, 3]. Їхнім недоліком є низька світлочутливість у червоній та ІЧ областях спектра. Відомий матеріал [4] на основі суміші гетерополівольфрамової кислоти та карбонатного відновника. Його недоліками є великий час відновлення прозорості (безбарвності) і низька вологостійкість. Відомий матеріал [5] на основі кристалів AgCl (I) розміром 50-70 нм з адсорбованими молекулами барвника малахітового зеленого та малоатомними кластерами срібла. Недоліком даного матеріалу є занадто велике початкове поглинання (при відсутності опромінення), а відтак - малий діапазон зміни прозорості. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним за прототип, є нелінійно-оптичний матеріал для обмеження потужності лазерного випромінювання [6], що являє собою дисперсну систему з полімерним каркасом і плинним дисперсійним середовищем, куди внесені іони перехідних металів, ліганди для утворення з даними іонами комплексних сполук з сильним світлопоглинанням та ліганди для утворення з даними іонами комплексних сполук з слабим світлопоглинанням. Як ліганди для утворення комплексів з сильним світлопоглинанням використовують галогенід-іони, фосфін, фосфінові кислоти, п'яти або шестичленні гетероциклічні сполуки, які включають атом азоту, та багато інших. Вміст лігандів даного типу у матеріалах перевищує вміст іонів металу щонайменше в чотири рази. Як ліганди для утворення комплексів слабим світлопоглинанням, використовують органічні сполуки з гідроксильними групами (гліколі та багатоатомні спирти). Вода, що також має гідроксильну групу, як такий ліганд використовується у кількості, що не перевищує 1 % ваги матеріалу або не використовується зовсім. Зведення вмісту води до мінімуму мотивується її низькою температурою кипіння та реакційною активністю. Головним недоліком прототипу є повільне відновлення прозорості після припинення опромінення. Воно обумовлено, насамперед, низькою рухливістю лігандів для утворення комплексів з слабим світлопоглинанням, яка призводить до запізнення зміни світлопоглинання відносно зміни температури середовища на десятки секунд. Ще однією причиною повільного відновлення прозорості є досить велика товщина шару матеріалу. Задачею корисної моделі є створення матеріалу, який характеризується значно меншим часом відновлення прозорості, ніж прототип. Вказана задача вирішується через збільшення молекулярної рухливості лігандів для утворення комплексних сполук з слабим світлопоглинанням, яке здійснюється за рахунок істотного збільшення вмісту води. Щоб температура середовища, при якій досягається мінімальна прозорість, була значно меншою, ніж температури кипіння води, здійснюється модифікація комплексоутворення шляхом внесення до матеріалу органічних барвників. Технічним результатом корисної моделі є скорочення часу відновлення прозорості за рахунок збільшення молекулярної рухливості лігандів для утворення комплексних сполук з слабим світлопоглинанням. Також, світлопоглинальні властивості органічного барвника надають можливість здійснювати модуляцію прозорості в червоній та ІЧ областях спектру за допомогою випромінювання в іншій області спектра. 1 UA 93745 U 5 10 15 20 Суть корисної моделі пояснюється на прикладі, де гелем є гідрогель полівінілового спирту, 2+ іонами перехідного металу є катіони Со , лігандами для утворення комплексів з сильним світлопоглинанням є аніони Сl і модифікатором комплексоутворення є родамін 6Ж. Основні властивості даного матеріалу демонструються кресленнями, де показані: на фіг. 1 - зменшення світлопропускання плівкового зразка матеріалу в червоній області спектра при збільшенні температури; на фіг. 2 - вплив модифікації комплексоутворення на залежність світлопропускання плівкового зразка матеріалу від температури; на фіг. 3 - кінетика прозорості плівкового зразка для випромінювання на довжині хвилі 655 нм при імпульсному опроміненні на довжині хвилі 532 нм. Для отримання матеріалу полівініловий спирт розчиняють у водно-спиртовому розчині, 2+ додають туди гексагідрат хлориду кобальту (джерело іонів Со та Сl ), родамін 6Ж та пластифікатор. Пластифікатором може бути гліцерин, дибутилфталат або етиленгліколь. З суміші методом поливу виготовляють зразок матеріалу у вигляді плівки. Після старіння впродовж 5-7 діб плівковий зразок герметизують поміж пластин з прозорого твердого матеріалу. Вміст складових наведено в Таблиці. Слід зазначити, що оптимальні значення вмісту гексагідрату хлориду кобальту та родаміну 6Ж залежать від товщини плівки та характеристик випромінювання, що обмежується. Вказані величини отримані експериментально для плівкового зразка товщиною 0,2-0,3 мм, який пристосовано для нелінійного обмеження лазерного випромінювання в області спектру 600-720 нм. Таблиця водно-спиртовий розчин (мас. %) полівініловий спирт, молекулярна маса 15000-25000, (мас. %) гексагідрат хлориду кобальту СоСІ2'6Н2О (моль/кг) родамін 6Ж (моль/л) пластифікатор (мас. %) 85-90 4,5-10 -2 (3-4)×10 -6 (2-4)×10 4,5 2+ 25 30 35 40 Катіони Со утворюють з лігандами комплексні сполуки з координаційним числом 6 та 4. В області спектра 600-720 нм слабе поглинання мають комплексні сполуки з координаційним - (2-n)+ числом 6 ([Со(Н2О)mСl n] , n=0, 1, 2, m=6-n), а сильне - комплексні сполуки з координаційним - (2-n)+ числом 4 ([Со(Н2О)mСl n] , n=3, 4, m=4-n). При кімнатній температурі та нижче кількість комплексних сполук з координаційним числом 4 є незначною, що забезпечує високу прозорість матеріалу в даній області спектра (Фіг. 1). Зростання температури супроводжується збільшенням кількості комплексних сполук з координаційним числом 4, що призводить до зменшення прозорості. Як витікає з наведених на фіг. 1 спектрів, для затемнення плівкового зразка в червоній області спектра може використовуватись випромінювання не тільки даної області, але й зеленої області >> 500-550 нм. Як показано на фіг. 2, внесення родаміну 6Ж дозволяє досягти практично повного -2 затемнення плівкового зразка (пропускання менше 10 ) при температурі 70-75 °C, що є помітно нижчою, ніж температура кипіння води. При вмісті родаміну 6Ж понад оптимальне значення температура повного затемнення зменшується ще більше, однак це супроводжується небажаним зменшенням прозорості при кімнатній температурі. Час відновлення прозорості зразка визначається швидкістю охолодження опроміненого об'єму матеріалу і швидкістю протікання реакцій лігандообміну, що зменшують вміст комплексних сполук з координаційним числом 4. Час охолодження ox може бути оцінений згідно з виразом[7]  ox  c d2  2  41 , де d - товщина шару матеріалу, c - питома теплоємність матеріалу, r - щільність 45 матеріалу,  - теплопровідність гідрогелю, a  1 являє собою параметр, який характеризує швидкість витікання тепла з поверхні матеріалу в навколишнє середовище. Підставляння у 3 3 3 вираз приблизних значень параметрів ( c  4,2  10 Дж/(кг×К), r  10 кг/м ,   0,2 Вт/(м×К), 1  0,5 , d  0,2 мм) дає для плівкового зразка оцінку ox  1 с. Час протікання реакцій лігандообміну можна приблизно оцінити як різницю між експериментально визначеним часом відновлення прозорості та ox . 2 UA 93745 U 5 10 15 20 Згідно з наведеними на фіг. 3 даними по кінетиці затемнення та відновлення прозорості плівкового зразка час відновлення прозорості становить близько 1 с. Таким чином, час -1 протікання реакцій лігандообміну в корисній моделі може бути оцінений як ~10 с Дана величина є істотно меншою, ніж у випадку прототипу (10-20 с), що підтверджує досягнення мети. Джерела інформації: 1. Барачевский В.А., Дашков Г.И., Цехомский В.А. Фотохромизм и его применение. Москва. Химия. 1977 г. 280 с. 2. Серова В.Н. Полимерные оптические материалы. - СПб.: Научные основы и технологии, 2011. - 384 с. - аналог. 3. Котова А.В. и др… Фотохромные органические триплексы и способ их получения. Патент РФ № 2373061. - аналог. 4. С. Lyman. Photochemical process. Патент США № 2895892 - аналог. 5. Латышев А.Н. и др. Нелинейно-оптический материал и способ его получения. Патент РФ № 2359299. - аналог. 6. H.J. Byker et al. Multi-layer ligand exchange thermochromic systems. Патент США № 7525717. - прототип. 7. В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. Теплопередача. 4-е издание. Москва, Энергоиздат. 1981 г., стр. 68-77. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 1. Нелінійно-оптичний матеріал для обмеження потужності лазерного випромінювання, що являє собою дисперсну систему з полімерним каркасом і плинним дисперсійним середовищем, куди внесені іони перехідних металів, ліганди для утворення з даними іонами комплексних сполук з сильним світлопоглинанням та ліганди для утворення з даними іонами комплексних сполук з слабим світлопоглинанням, який відрізняється тим, що дисперсійним середовищем і водночас лігандом для утворення комплексних сполук зі слабим світлопоглинанням є вода, що містить сполуки органічних барвників. 2. Нелінійно-оптичний матеріал для обмеження потужності лазерного випромінювання за п. 1, який відрізняється тим, що дисперсна система являє собою гідрогель полівінілового спирту, що містить воду в кількості 90-95 % маси, органічний барвник родамін 6Ж у кількості 2  4  106 моль/л, катіони двовалентного кобальту у кількості 3  4  102 моль/кг, а лігандами для утворення комплексних сполук з сильним світлопоглинанням є аніони хлору в кількості 6  8 102 моль/кг. 3 UA 93745 U 4 UA 93745 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5