一种宽波段激光防护方法及结构与流程

本发明涉及一种表面涂层、非线性光学激光防护技术，尤其是一种激光防护技术，具体地谙一种宽波段激光防护方法及其结构。

背景技术：

激光技术作为现代高科技条件下战争的重要手段之一，广泛应用于军事领域。尤其是激光武器具有快速(光速) 、精确、抗电子干扰等其它武器无可比拟的优点，将会使未来战争模式发生深刻变化。在各类激光武器中，激光干扰与致盲武器在一些西方军事强国已于80年代起开始列装，仅美军公开报道的就有7 种型号之多。这类武器的攻击对象主要是人眼及光电装置。如干扰、损伤及致盲光电侦察、火炮、导航和制导等系统的视觉乃至人眼等。随着这类武器的不断发展，自动化程度的不断提高，这方面所面临的威胁越来越严重，相应的对抗措施已引起许多国家的高度重视。开展激光致盲防护研究，对增强光电制导武器的抗激光毁伤性能，提高光电制导武器的突防能力具有十分重要意义，是打赢未来高技术战争的基础。

随着激光武器的进一步发展，相应的对抗措施将是战略性的研究课题，利用光限幅非线性光学材料是重要的对抗措施之一。有机材料、高聚物、半导体材料以及碳纳米材料能够在各自特有的波段进行激光致盲的防护，保护人员和探测仪器的安全。然而，面对宽波段连续可调激光器存在着防护波段窄等缺点的特点，并不能很好的适应新型激光致盲武器的发展。

采用复合多元防护结构，结合目前各种非线性光限幅材料的波段特性，通过热致相变光限幅和非线性散射方法，可以设计出具有宽波段的激光光学防护结构，并更有效地对激光干扰信号进行衰减，从而实现对可见光波段和近红外波段连续可调激光的防护。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有的强激光信号（激光功率密度在50W/mm²以上）缺少理想的防护措施的问题，发明一种宽波段双重激光防护方法，同时提供一种相应的防护结构，它通过五氧化二钒制备、蓝宝石壳体设计、碳纳米管悬浮液配置，悬浮液的注入与密封一系列步骤，得到可以进行宽波段激光防护的结构，广泛应用于可见光波段和近红外波段激光防护技术领域中。

本发明的技术方案之一是：

一种宽波段激光防护方法，其特征在于包括如下步骤：

首先，利用蓝宝石作为壳体，至少在蓝宝石壳体正对激光入射的一面上利用射频磁控制溅射技术沉积五氧化二钒薄膜层，五氧化二钒薄膜层在激光功率密度大于50W/mm²的强激光照射时发生相变，从而使强激光的透过率≤5%；

其次，在蓝宝石壳体中灌注碳纳米管悬浮液，并使经蓝宝石壳体入射面上的五氧化二钒薄膜层进入蓝宝石壳体中的激光束全部经过碳纳米管悬浮液后从另一面蓝宝石壳体的另一面射出，蓝宝石壳体中的碳纳米管悬浮液在强激光照射后产生微气泡对入射的强激光进行有效散射以进一步降低强激光的透过率，从而使透过蓝宝石壳体的强激光在五氧化二钒薄膜层及碳纳米管悬浮液的双重作用下衰减84%以上。

所述的蓝宝石材料壳体为经过抛光，具有非常优良的表面形貌，均方根表面粗糙度保持在3nm以下，并在进行磁控溅射沉积前先用棉花蘸上清洁剂轻轻擦洗掉蓝宝石壳体表面的灰尘和颗粒，然后将其在丙酮和酒精中分别超声振荡至少20 min，接着把蓝宝石壳体在去离子水中超声清洗至少20 min。

所述的五氧化二钒薄膜层磁控溅射沉积参数为：氧氩流量比为0.11(1.8/11.3sccm)，基底温度为400 ℃，溅射温度为450℃，溅射压强为2Pa，溅射时间为35 min，溅射电压为315 V。

所述的的五氧化二钒薄膜层是一层单一组分的、颜色为橙黄色的、有明显的择优取向、厚度为300-400nm的基于热致相变原理的激光防护膜。

所述的碳纳米管悬浮液所采用的溶剂为苯或乙醇溶液。

所述的碳纳米管悬浮液浓度为N=4e14/m³，溶液厚度不小于10mm，即激光在碳纳米管悬浮液中的行程不小于10mm；入射能量为0.4J/cm²时，碳纳米管悬浮液中微气泡达到稳定状态对入射激光进行有效散射所需时间为10ns，测得的透过率小于10%。

所述的碳纳米管悬浮液应通过注入口缓缓倒入蓝宝石壳体中，并用橡胶盖胶囊将悬浮液进行密封保存。

本发明的技术方案之二是：

一种宽波段激光防护结构，它包括蓝宝石壳体4，其特征是所述的蓝宝石壳体4正对激光光源的入射面上通过磁控溅射法沉积有五氧化二钒薄膜层1，在蓝宝石壳体4中设有灌注碳纳米管悬浮液5的空腔，该空腔与贯通蓝宝石壳体4的注液口2相连通，碳纳米管悬浮液5通过所述的注液口2注入所述空腔中，在所述注液口2位于蓝宝石壳体4外的一端上加装有橡胶盖胶囊3以实现空腔与外界的隔绝。

所述的五氧化二钒薄膜层1的厚度为300-400nm，优先350 nm。

本发明的有益效果是：

本发明采用复合多元防护，结合目前各种非线性光限幅材料的波段特性，通过热致相变光限幅和非线性散射方法，能更有效地对强激光干扰信号进行衰减，从而实现对可见光波段和近红外波段连续可调激光的防护。

本发明方法简单、成品率高、成熟可靠。

本发明的宽波段激光防护结构可作为光学窗口，用于光电侦查、火炮、飞行器导航和导弹制导等系统中。本发明提供的宽波段激光防护组件制备方法成熟可靠、加工时间短、可在激光防护领域和光学智能窗口中起到广泛地应用。

附图说明

图1是本发明的宽波段激光防护结构的正视和侧视原理图。

图2 是本发是遥宽波段激光防护结构检测示意图。

图3 是本发明1024nm激光干扰前后透过率变化图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

一种宽波段激光防护结构的制备方法，包括如下步骤：

（1）先对蓝宝石材料进行抛光，合之具有非常优良的表面形貌，均方根表面粗糙度保持在3nm以下。在蓝宝石材料上制备氧化钒薄膜之前，首先用棉花蘸上清洁剂轻轻擦洗蓝宝石表面的灰尘和颗粒，然后将其在丙酮和酒精中分别超声振荡20 min，接着把蓝宝石在去离子水中超声清洗20 min。

（2）利用射频磁控溅射法，在蓝宝石材料上镀制五氧化二钒薄膜，所采用的参数为：氧氩流量比为0.11(1.8/11.3sccm)，基底温度为400 ℃，溅射温度为450℃，溅射压强为2Pa，溅射时间为35 min，溅射电压为315 V。

（3）在镀制过程中药时刻保持工艺参数的稳定，并通过时间控制薄膜的厚度，使制备出的膜厚保持在300-400纳米之间，最佳为350nm左右，并能与蓝宝石满足一定的结合强度要求。所制得的五氧化二钒薄膜层是一层单一组分的、颜色为橙黄色的、有明显的择优取向的基于热致相变原理的激光防护膜。

（4）按照一定的成分比例，配置碳纳米管悬浮液，溶剂选用苯溶液或乙醇溶液（碳纳米管在乙醇溶液中的散射系数更大，入射激光的透射率更低，能对强激光信号进行更大程度上的衰减），通过搅拌棒将溶液搅拌均匀，使碳纳米管悬浮液浓度为N=4e¹⁴/m³，入射能量为0.4J/cm²时，碳纳米管悬浮液中微气泡达到稳定状态对入射激光进行有效散射所需时间为10ns，测得的透过率小于10%，溶液厚度为10mm，即图1左图中碳纳米客悬浮液的宽度，也就是激光在碳纳米悬浮液中的行程。

（5）为了避免飞溅，悬浮液应通过注入口2缓缓倒入蓝宝石壳体4中；悬浮液5在壳体4中通过橡胶盖胶囊3密封保存。

（6）蓝宝石壳体分别用丙酮和酒精擦拭干净。即可悬于图2所示的检测装置中进行检测。

二氧化二钒薄膜是在蓝宝石材料上进过特定的工艺参数制备而成，具有一定的结合强度和实际透光要求，且在宽波段强激光信号干扰时能够发生相变，起到防护的作用。为了制备出组分纯、结晶度高和光学特性优良的氧化钒薄膜，在磁控溅射过程中要时刻保持工艺参数的稳定；配置出的碳纳米管悬浮液要混合均匀，注入蓝宝石壳体后要立刻密封保存，成为衰减激光干扰信号的第二层防护屏障。

检测例1。

如图2，在图1所示的防护结构的前端放置10W的635nm红光激光器作为入射光源，PVM型光电探测器作为信号接收端，通过调节激光的强度，测试防护结构受到强激光辐照前后的透过率的变化。在可见光及近、中红外波段内，五氧化二钒薄膜发生相变所用的时间在3ms以内，碳纳米管悬浮液中微气泡达到稳定状态对入射激光进行有效散射所需时间为10ns，即复合防护结构的防护响应时间在3ms以内。

检测例2。

如图2，在图1所示的防护结构的前端放置20W的1024nm光纤激光器作为入射光源，PVM型光电探测器作为信号接收端，通过调节激光的强度，测试防护结构受到强激光辐照前后的透过率的变化。测得在强激光信号（50W/mm²）辐照前薄膜的光透过率为91%，辐照后的光透过率为5%，衰减幅度可达86%（见图3）。

检测例3。

如图2，在图1所示的防护结构的前端放置10W的635nm红光激光器作为入射光源，PVM型光电探测器作为信号接收端，通过调节激光的强度，测试防护结构受到强激光辐照前后的透过率的变化。测得在强激光信号（50W/mm²）辐照前薄膜的光透过率为87%，辐照后的光透过率为3%，衰减达到84%。

检测例4。

如图2，在图1所示的防护结构的前端放置15W的532nm绿光激光器作为入射光源，PVM型光电探测器作为信号接收端，通过调节激光的强度，测试防护结构受到强激光辐照前后的透过率的变化。测得在强激光信号（50W/mm²）辐照前薄膜的光透过率为88%，辐照后的光透过率为3%，衰减达到85%。

实施例二。

如图1所示。

一种宽波段激光防护结构，它包括蓝宝石壳体4，所述的蓝宝石壳体4正对激光光源的入射面上通过磁控溅射法沉积有厚度为300-400nm（最佳为350 nm）的五氧化二钒薄膜层1，在蓝宝石壳体4中设有灌注碳纳米管悬浮液5的空腔，该空腔与贯通蓝宝石壳体4的注液口2相连通，碳纳米管悬浮液5通过所述的注液口2注入所述空腔中，在所述注液口2位于蓝宝石壳体4外的一端上加装有橡胶盖胶囊3以实现空腔与外界的隔绝。本发明的防护结构的实际检测装置如图2所示。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。