Содержание
Введение................................................................5
1. Обзор известных литературных источников по принципам функционирования оптических затворов..............................10
1.1. Виды оптических затворов их назначение и классификация...........10
1.1.1. Механические затворы............................................10
1.1.2. Электрооптические затворы.......................................13
1.1.3. Магнитооптические затворы.......................................14
1.1.4. Акустооптические затворы........................................15
1.1.5. Фототропные затворы.............................................15
1.1.6. Ограничители излучения..........................................16
1.2. Основные закономерности процессов взаимодействия лазерного
излучения с тонкопленочными структурами..........................23
1.3. Поражающие факторы воздействия лазерного ослепляющего
облучения на элементы фотоприёмных устройств.....................32
1.3.1. Постановка задачи...............................................32
1.3.2. Действие наносекундных лазерных импульсов на поверхность
полупроводни ковых м и шеней....................................34
1.3.3. Действие лазерного излучения на глаз............................36
1.3.4. Анализ факторов поражающего действия лазерного излучения........37
1.4. Обоснование выбора термооптических затворов с тонкопленочными структурами для целей защиты от поражающего воздействия лазерного излучения. Постановка задачи................................................................49
2. Разработка принципов создания термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами.............................51
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.......................................51
2.1.1. Физическая модель процессов функционирования
термооптического затвора с возбуждением микродеформаций поверхности планарных микромеханических структур................51
2.1.2. Физическая модель процессов функционирования
термооптического затвора с локальным удалением тонкопленочной металлической структуры.-........................59
2.1.3. Термооптический затвор с локальным удалением тонкопленочной металлической структуры и «самовосстановлением» прокола..........................................66
2.2. Факторы, ограничивающие быстродействие термооптических
затворов, функционирующих на принципе локального удаления тонкопленочной металлической структуры......................68
2
%
ч
2.3. Принципы создания термооптических затворов с локальным
удалением тонкопленочной металлической структуры..................71
2.4. Основы конструирования термооптических затворов,
функционирующих на принципе локального удаления тонкопленочной металлической структуры............................72
2.4.1. Принципы конструирования термооптических затворов с локальным удалением тонкопленочной металлической структуры...............................................................72
2.4.2. Критерии выбора материала зеркального слоя затвора...............73
2.4.3. Оценочные расчеты основных параметров термооптического затвора.............................................................‘...76
2.5. Особенности конструирования оптико-электронных приборов,
содержащих термооптический затвор с локальным удалением тонкопленочной металлической структуры............................80
3. Экспериментальное исследование принципов создания,
конструирования и процессов функционирования термооптических затворов с локальным удалением тонкопленочной металлической структуры..............................85
3.1. Основные требования к конструктивным и функциональным характеристикам термооптического затвора с локальным
1 удалением тонкопленочной металлической структуры...................85
3.2. Разработка методов нанесения тонкопленочных металлических
* структур термооптических затворов..................................86
3.2.1. - Выбор состава тонкопленочных металлических структур
термооптического затвора.........................................86
3.2.2. Разработка конструкции автореакторного корпуса термооптнческого затвора и технология его сборки.......................93
3.2.3. Изготовление герметичного корпуса в виде «таблетки»..............95
3.2.4. Разработка и изготовление бескорпусных макетных образцов термооптических затворов................................................96
3.2.5. Технологические особенности создания тонкопленочных металлических структур затворов.........................................97
3.3. Экспериментальное исследование оптических свойств и
теплофизических характеристик тонких пленок щелочных и щелочноземельных металлов.........................................99
3.3.1. Экспериментальное'определение отражательной способности металлов в тонких пленках...............................................99
3.3.2. Спектральные характеристики тонких пленок некоторых металлов................................................................99
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.............................102
3
3.4.1. Разработка экспериментального стенда для исследования в реальном масштабе времени процессов взаимодействия импульсного лазерного излучения с термооптическими затворами с наносекундным временным разрешением......................102
3.4.2. Экспериментальные исследования функциональных и оптических характеристик макетных образцов термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами...........................................115
3.4.3. Проведение натурных испытаний термооптического затвора в составе оптико-электронной системы, содержащей фотоприемное устройство, защищаемое от поражающего действия лазерного излучения.........................................122
Заключение...........................................................126
Список использованных источников.....................................128
4
Введение
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, электрооп-тические 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 КГ* с. Оптический затвор взрывного типа позволяет открывать (закрывать) оптический тракт за время 1 Ст-ДО-6 с. Наибольшее быстродействие (Ю‘9-10‘10 с) может быть получено при использовании в качестве оптического затвора ячеек Керра или кристаллов, обладающих эффектом Поккельса. В технике генерирования сверхкоротких лазерных импульсов для изменения добротности резонатора применяют пассивные оптические затворы, использующие элементы (стёкла, растворы), коэффициент пропускания которых резко меняется под действием светового излучения. Еще одна сфера применения оптических пассивных затворов, это защита от мощного лазерного излучения.
Бурное развитие мощной импульсной лазерной техники в последние десятилетия и широкое ее внедрение в различные сферы человеческой деятельности привело к необходимости решения задачи динамической защиты органов зрения, различных фотоприёмньтх 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 яр-
5
{
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 интенсивностей офаничен тепловыми разрушениями устройств офаничителей, 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 оптоэлектронных 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 сфуктурами. 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, офаничивающих быстродействие термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами.
6
9
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 термооитических 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 1^, К, Сб, N3, от толщины этих пленок.
5. Определены факторы, ограничивающие быстродействие термооптических затворов, функционирующих на принципе локального необратимою удаления тонкопленочной металлической структуры.
7
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 микромеха-нических 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 па 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.
8
3. Оптические константы тонких пленок щелочных и щелочноземельных металлов в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра.
4. Оптические свойства пленок 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.
9
1. Обзор известных литературных источников по принципам функционирования оптических затворов.
1.1. Виды оптических затворов их назначение и классификация.
Оптический затвор это устройство для управления световым потоком -временного перекрытия и последующего пропускания в течение определенного промежутка времени. Оптические затворы используется в фотоаппаратах, кинокамерах, скоростных фоторегистрирующих устройствах, для модуляции интенсивности оптических пучков, в лазерных устройствах.
Существует несколько широко используемьтх типов оптического затвора; по принципу действия, делятся на несколько основных видов:
1) механические;
2) электрооптические;
3) магнитооптические;
4) акустооитические;
5) фототроп ные;
6) ограничители излучения.
1.1.1. Механические затворы.
В механических оптических затворах перекрывание светового пучка осуществляется механическим перемещением шторок, зеркал, призм и т. п., поэтому скорость переключения таких оптических затворов определяется инерцией подвижных элементов и составляет обычно не мепсе КГ* с.
Рассмотрим механические затворы на примере фогозатворов.
Фотозатворы предназначены для ограничения продолжительности воздействия светового излучения на фотоматериал. Обычно затвор состоит из механизмов световых заслонок, двигателя затвора, механизма выдержек, автоспуска и синхроконтакта. Числовые значения расчётных выдержек определяют по формуле Т=2~х, где х - любое положит, или отрицательное число. Например, t может быть равным 32, 16, 8..., 1/512, 1/1024, 1/2048 с. Числовые значения округлённых эффективных выдержек выбирают из ряда «Т», «В», 30, 15, 8..., 1/500, 1/1000, 1/2000 с. Основные параметры затвора, характеризующие его класс (стандарт предусматривает три класса): диапазон выдержек, отклонение выдержки от расчётного значения, нестабильность выдержки, неравномерность выдержки, отношение двух соседних выдержек, коэффициента полезного действия.
Затворы фотоаппаратов общего назначения разделяют в зависимости от их оптико-механических свойств и конструктивных особенностей. В зависимости от расположения относительно объектива затворы делятся на апертурные и фокальные: Разделяют затворы по степени автоматизации (неавтоматические, полуавтоматические, автоматические) и по способу отработки выдержки. При механической отработке они подразделяются на затворы с использованием инерционного барабана, анкерного регулятора, зубчатых колёс или их комби-
10
наций; при электронной отработке — с цепочкой ЯС без фотоприёмника и цепочкой ЯС с фотоприёмником. Исходя из конструктивных особенностей затворы различают по связи с фотоаппаратом, (для шкапьно-дальномерных, зеркальных); по возможности постоянного визирования (в зеркальном фотоаппарате); по наличию различных устройств и механизмов (автоспуск, синхроконтакт и др.); по особенностям взвода (ручной, пружинный, электропривод).
У апертурного затвора исполнительный механизм располагается внутри объектива (межлинзовый затвор) либо в непосредственной близости ог объектива (фронтальный). Световые заслонки этого затвора представляют собой группу из 3-5 металлических лепестков, которые формируют световое отверстие, открываясь от центра к периферии и закрываясь в обратном направлении (центральный затвор). Двигателем служит пружина. Апертурные затворы подразделяются на затворы прямого действия, возвратного действия, ротативные и комбинированные. Выпускаются как встроенными в объектив (фотоаппарат), так и в виде отдельного устройства. Диапазон выдержек от 1 до 1/500 с и «В». Достоинства центрального затвора: обеспечение им равномерной освещённости кадрового окна, возможность работы с импульсным фотоосветителем во всём диапазоне выдержек, возможность поставки в виде отдельных узлов, более простая кинематическая связь между установкой экспозиционных параметров и экспонометрическим устройством фотоаппарата. Недостатки: сложность получения выдержек короче 1/500 с, ограничение светосилы объектива, сложность расчёта объектива, поскольку необходимо обеспечить свободное пространство для размещения световых заслонок; сложность точной установки и центрирования оптических компонентов объектива; необходимость обеспечения светонепроницаемости набора заслонок; неэкономичность использования со сменными объективами.
Затвор-диафрагма представляет собой устройство, у которого функции затвора и диафрагмы объединены в одном механизме, регулирующем апертуру и время открытия светового отверстия. Используется в однопрограммных автоматических фотоаппаратах.
В программном затворе выдержка устанавливается не произвольно, а по одной или нескольким жёстким (изменяемым в определённых пределах) программам, связывающим наиболее употребимые сочетания «выдержка - диафрагма», исходя из световых условий съёмки. О распространённости программных затворов свидетельствует тот факт, что из 83 компактных малоформатных фотоаппаратов японского производства 1975-1985 гг. 59 имели электронно-управляемый программный затвор.
Электронный затвор для получения необходимой выдержки вместо механического управляющего устройства использует электронное устройство, служащее для формирования электрических сигналов.Принцип действия управляющей схемы затвора основан на изменении продолжительности зарядки конденсатора, обеспечиваемой переменным резистором. При замыкании контакта одновременно с началом открывания затвора конденсатор начинает заряжаться. Значение зарядного тока зависит от сопротивления резистора, связанного с органом управления выдержками. При достижении зарядным напря-
11
- Київ+380960830922