基于光控粒子极性反转悬浮液的激光限幅方法、材料及应用

本发明涉及非线性光学和激光防护领域，尤其涉及一种基于光控粒子极性反转悬浮液的激光限幅方法、材料及应用。

背景技术：

1、随着高功率激光器的不断发展，在激光加工、激光医疗和激光探测等领域，需要在高功率激光辐照下对人员和敏感的光电设备进行防护，激光防护技术日益成为激光应用技术领域的研究热点。激光防护技术的本质为激光限幅技术，通过对入射激光的能量密度和功率密度进行限制，来实现对己方处于激光辐照下的人员和设备的保护。同时，由于激光具有单色性强、方向性好、亮度高等优点，也常常被用作信号传输的媒介。因此需要对高功率激光进行限幅防护，而低功率的信号激光不需要限幅。

2、目前常用的激光限幅技术按照原理可分为三大类：基于相变原理的光限幅技术、基于线性光学原理的光限幅技术、基于非线性光学原理的光限幅技术。其中基于相变原理的光限幅技术，使用的材料从金属态转化为半导体态的过程需要一定的恢复时间，在这一段时间内，相变材料呈现低透射状态，光电传感器无法正常接收信号。基于线性光学原理实现的激光限幅技术也存在不少缺点，难以对多波长激光实现防护，其透过率也无法根据入射激光的强度动态调整，难以满足对于同一波段弱信号光的高透过和强有害光的高衰减。目前已有的基于一维光子晶体带隙反射的yag激光防护镜设计，其原理是线性光学原理，存在不能根据激光的强度动态控制激光透过率的缺点。

3、基于非线性光学原理的光限幅技术可以实现对弱光的高透过和强光的高衰减，因此是非线性激光防护的有效手段。目前，已报道的大多数非线性激光限幅材料可分为两类：固体材料和悬浮液材料。与悬浮液材料相比，固体非线性光限幅材料拥有较低的损伤阈值，并且在强光照射下容易产生损伤。悬浮型的非线性光限幅材料主要基于非线性吸收和非线性散射两个机制。非线性吸收可以有效地减轻相对较强的入射激光的光强度，但当入射激光功率密度过高后，它将失去对激光的限幅效果。另一方面，非线性散射来源于悬浮液中溶剂沸腾产生的气泡，使得悬浮液存在因溶剂受热而导致的大量溶剂消耗。因此，研究一种基于悬浮材料的新型非线性光限幅方法来应对这些挑战，具有非常重要意义。

技术实现思路

1、发明目的：提出一种基于光控粒子极性反转悬浮液的激光限幅方法、材料及应用，对弱光实现高透过的同时实现强光的高衰减，以解决现有技术提出的上述问题。

2、第一方面，提出一种基于光控粒子极性反转悬浮液的激光限幅方法，步骤如下：

3、s1、构建满足极性反转条件的目标悬浮液理论模型；

4、s2、基于所述目标悬浮液理论模型，制备得到目标悬浮液；

5、s3、将激光射入所述目标悬浮液，实现激光限幅；

6、s4、验证步骤s3中射入所述目标悬浮液的激光的透过率：

7、若弱光透过率大于第一预期值且强光透过率小于第二预期值，则认定当前目标悬浮液符合要求；

8、若弱光或强光下透过率中的任一项不满足预期值，则重新执行步骤s1至步骤s3，直至当前目标悬浮液符合要求。

9、在第一方面进一步的实施例中，步骤s1进一步包括：

10、s1-1、确定目标悬浮液的极化率α：

11、

12、式中，vp表示目标悬浮液中溶质粒子的体积；ε0为真空介电常数；m为溶质p与背景溶剂b折射率的比值；

13、s1-2、确定推动溶质p移动的光学梯度力fgrad：

14、

15、式中，为拉普拉斯算符；i(y)表示高斯光束在束腰位置处功率的横向强度分布；

16、s1-3、建立目标悬浮液透过率与入射激光功率密度之间的关系：

17、

18、式中，k为吸收系数；neff为有效粒子数；l为悬浮液的厚度；qscat为溶质p的散射截面；iave为平均光功率；r为激光光斑半径；s0为悬浮液被激光照射的面积；s为溶质微粒的横截面积；r是理想气体常数；t为绝对温度；c0为悬浮液的初始浓度；in为光学梯度力克服阻力并推动溶质微粒移动时所需要的功率密度。

19、在第一方面进一步的实施例中，步骤s2进一步包括：

20、s2-1、筛选制备目标悬浮液的溶质p和背景溶剂b；

21、s2-2、利用机械振荡和/或超声振荡，将m组不同质量的溶质p均匀分散在背景溶剂b中形成m组目标悬浮液；利用光谱仪测量各组目标悬浮液在弱光下的透过率，再通过静置实验比较目标悬浮液的稳定性；

22、s2-3、对制备的目标悬浮液性能进行判断：若目标悬浮液弱光下透过率和稳定性满足需求，则进入步骤s3；若不满足需求，则返回步骤s2-1重新选择满足极性反转条件的溶质p与背景溶剂b。

23、在第一方面进一步的实施例中，所述溶质p和背景溶剂b需要同时满足如下条件：

24、条件1：溶质p的线性折射率小于背景溶剂b的线性折射率，且偏差值小于第一预定值；

25、条件2：溶质p的非线性折射率大于背景溶剂b的非线性折射率，且偏差值大于第二预定值；

26、条件3：溶质p与背景溶剂b不发生化学反应，且p仅仅分散在b中，不发生溶解。

27、在第一方面进一步的实施例中，步骤s3将激光射入所述目标悬浮液，包括如下阶段：

28、s3-1、弱光高透过阶段：所获得的目标悬浮液在低入射光功率下，溶质p的折射率小于背景溶剂b，此时悬浮液为负极化率悬浮液；

29、s3-2、强光高衰减阶段：随着入射光功率的增大，根据光学克尔效应，当入射光功率超过某一阈值后，溶质p的折射率大于背景溶剂b，此时悬浮液转变为正极化率悬浮液。

30、在第一方面进一步的实施例中，所述弱光高透过阶段进一步包括：

31、入射激光的子光束a与子光束b在经过溶质p的折射后，传播方向发生变化，光子的动量也产生相应的变化；根据动量守恒定律，此时溶质p也受到两个力fa和fb；由于入射激光为高斯光束，光功率分布呈为光轴中心高、周围低，故子光束a的光功率大于子光束b，进而使得fa大于fb；

32、通过正交分解，得出溶质p此时受到一个方向与激光传播方向相同的光学散射力fscat和一个方向与光轴垂直且指向光轴外侧的光学梯度力fgrad；

33、在光学梯度力fgrad的作用下，溶质p被推出光路，减小了激光传输过程中的散射，进而增大了悬浮液在弱光下的透过率。

34、在第一方面进一步的实施例中，步骤s3-1中，当入射光功率小于预设极限值时，光学梯度力fgrad也小于预设极限值，无法克服背景溶剂b对溶质p的阻力；故在步骤s3-1发生前，悬浮液的透过率为定值。

35、在第一方面进一步的实施例中，所述强光高衰减阶段进一步包括：

36、光学梯度力fgrad方向发生变化，将溶质p推向光路；光路上的溶质p的浓度升高，增大激光传输过程中的散射，进而减小悬浮液在强光下的透过率。

37、本发明的第二个方面，提出一种激光限幅材料，该激光限幅材料的成分组成为溶质p和背景溶剂b；通过将溶质p以预定的比例配比混合到溶剂b中，超声振荡形成稳定的悬浮液；

38、所述溶质p为有机高分子材料，溶剂b为有机溶剂。

39、在第二方面进一步的实施例中，适用于激光波长为1064nm的非线性激光限幅结构中，溶质p的材料为聚苯乙烯微球，粒径1.5μm；溶剂b的材料为二硫化碳。

40、本发明的第三个方面，提出上述激光限幅材料在激光防护领域的应用，利用所述激光限幅材料制作激光防护镜片，对处于激光辐照下的人员进行保护；或利用所述激光限幅材料制作防护面板，对处于激光辐照下的设备进行保护。

41、此外，还提出上述基于光控粒子极性反转悬浮液的激光限幅方法在激光防护领域的应用。

42、有益效果：本发明利用溶质ps微球和背景溶剂cs2提供了一种基于光控粒子极性反转悬浮液的激光限幅方法，同时实现了对弱信号光的稳定传输和对强损伤光的高衰减。极性反转悬浮液是一种利用了光学克尔效应和光力作用的限幅方法，与传统的悬浮液型的限幅材料相比，极性反转悬浮液可以有效增大弱光的透过率，能够更好的在保护光电敏感设备的同时，保证其正常工作。由于激光对悬浮液中微粒的光力作用与波长无关，因此基于光控粒子极性反转悬浮液的限幅方法对防护激光的波段不敏感，可以实现宽波段的防护。此外，悬浮液型的激光限幅材料具有损伤阈值高的特点，相较于固体型材料，该激光限幅方法可以有效地防护更高功率的激光，有效提高了非线性限幅器的激光损伤阈值。