[发明专利]双层级联光限幅器

说明书

技术领域

本发明涉及光限幅器，特别是一种双层级联光限幅器

背景技术

激光由于其高强度、相干性、准直性等优点在制造、医药、科技、安全领域发挥着越来越重要的作用。然而，激光也是一种危险的光源，对敏感光学器件、人眼、皮肤等具有毁灭性的破坏作用，因此如何加强激光的使用安全成为目前人们关注的热点。为了有效控制激光投射的能量密度，人们提出光限幅器（Optical limiter）的概念，具有高光能量密度下光学透过率低，低光能量密度下透过率高的特性。这种器件允许低于预设光强的光束通过，但当光强高于预设时光限幅器件将阻挡光束的通过，从而避免其后的目标物体受到过高能量激光的损害。光限幅器件可以用于光学传感器的保护，激光实验室人眼的安全防护等，具有广泛的应用前景。

近年来，人们为了制作能够实际应用的光限幅器，在寻找非线性响应强、响应光谱宽的材料方面做出了大量的努力。目前用于光限幅器的非线性光学材料按非线性消光机理大致可分为非线性散射（NLS）和反饱和吸收（RSA）等几类。前者如碳纳米管，石墨烯等，是目前非常具有代表性的非线性散射材料。相关文献如发表在SCI期刊《Carbon》的《Carbon nanotubes for optical limiting》(2002年第10期40卷，1789–1797页)，其中提出了基于碳纳米管分散液的光限幅装置，并使用z扫描和泵浦-探测方法做详细的性能表征；以及美国专利《BROADBAND OPTICAL LIMITER BASED ON NANO-GRAPHENE AND METHOD OF FABRICATING SAME》（编号：US20110304934A1）中提到的基于单层、寡层石墨烯及纳米金颗粒分散液的光限幅器。以上基于非线性散射的光限幅器具有较强的非线性响应，能够工作在紫外到红外的宽广波段；并且新型纳米材料相比传统的炭黑悬浮液不易团聚，装置的稳定性有了较大的提高。然而，由于非线性散射的机理所限，这些单一机理的简单装置只能对热效应显著的激光（纳秒或更长的脉宽）有明显响应，而对超短脉冲（皮秒及以下）响应很弱甚至无光限幅作用，实际应用中受到限制。后者如发表在SCI杂志《Advanced Materials》的《Molecular Engineering of Peripherally And Axially Modified Phthalocyanines》（2003年3月第15期，22-32页）以及发表在《Synthetic Metals》的《Porphyrins and phthalocyanines as materials for optical limiting》（2004年第3期141卷，231-243页），文中所研究的酞菁、卟啉及其金属衍生物是典型的非线性吸收材料，有很大的非线性吸收系数和很快的响应时间，能够用于超短脉冲的激光防护。然而，非线性吸收材料依赖于分子的能级间跃迁，工作波长一般较窄，如酞菁工作在在可见光波段（420nm～650nm），不能单独用来制造宽带的光限幅器。

以上单一材料单一体系的共性还在于，光限幅的特性由材料本身的特性决定，这样就大大的限制了调节的空间。而实际应用中，目标允许的光强照射是不确定的。

为了弥补单一材料单一机制的缺点，人们还研究了两种不同非线性材料的共轭和非共轭混合。在《Advanced Materials》中《Enhanced Optical Limiting Effects in Porphyrin-Covalently Functionalized Single-Walled Carbon Nanotubes》（2008年20期，511–515页）和《Chemical Physic letters》中《Linear and nonlinear spectroscopic studies of phthalocyanine-carbon nanotube blends》（2008年465期，265-271页），卟啉功能化的碳纳米管溶液（共轭混合）和碳纳米管酞菁混合液（非共轭混合）的非线性性质分别做了表征。卟啉功能化的碳纳米管由于电子在卟啉分子和碳纳米管之间的转移作用，表现出较好的非线性性质。但这种方法制备复杂，需要精确的反应条件，所用的材料种类也受到限制。碳纳米管酞菁混合液（非共轭混合）虽然能实现部分的光限幅曲线调节，然而非线性测试表明其光限幅性能不佳，不能满足实际应用的要求。

发明内容

鉴于以上方法的缺点和不足，本发明提出一种双层级联光限幅器，该光限幅器能够调节光限幅曲线，可实现宽工作波段，宽响应时域。