2D nanomateriály v aplikácii laserovej ochrany

Na dosiahnutie súčasnej ochrany proti pulzným aj kontinuálnym vlnám (CW) alebo kvázi-CWOchrana pred lasermiV posledných desaťročiach sa venovalo značné výskumné úsilie najmodernejším optickým limitujúcim (OL) materiálom a procesom v snahe dosiahnuť určité opatrenia na ochranu proti takýmto laserovým lúčom. Dvojrozmerné (2D) nanomateriály s množstvom jedinečných vlastností, vrátane grafénu, dichalkogenidov prechodných kovov, čierneho fosforu a ďalších, vzbudili rozsiahly výskumný záujem mnohých výskumníkov. V tomto prehľadovom článku systematicky popisujeme OL mechanizmy a nedávne úspechy v 2D nanomateriáloch a ich organických/polymérnych derivátoch pre laserovú ochranu. V snahe udržať výhodu 2D nanomateriálov je možné nielen zaviesť funkčné molekuly alebo polyméry, ktoré sa s nimi zmiešajú, aby vytvorili komplexný viacfázový materiálový systém, ale aj vložiť rozpustné 2D nanovrstvy kovalentne funkcionalizované organickými/polymérnymi materiálmi. polymérneho hostiteľa na vytvorenie kompozitných materiálov hostiteľ-hosť, od ktorých sa očakáva, že zlepšia výkon OL celého systému. Celkovo vzaté, optimalizovaný komplexný viaczložkový nanomateriálový systém enormne zvyšuje výkon a použiteľnosť OL zariadení. Okrem toho sú pre modifikáciu nanomateriálov na molekulárnej úrovni dôležité základné štúdie fotofyzikálnych a fotonických vlastností 2D nanomateriálov a ich derivátov v rôznych pevných hostiteľoch.

Okrem širokého využitia v civilných oblastiach sa lasery vyvinuli aj do rôznych typov laserových zbraní. Vďaka svojim vlastnostiam vysokej rýchlosti, opakovaným úderom, presnému zabíjaniu cieľov, kontrolovateľnému stupňu poškodenia, odolnosti voči elektromagnetickému rušeniu a ekonomickým prevádzkovým nákladom budú hrať dôležitú úlohu v budúcich vojnách, boji proti terorizmu a majú jedinečné a dôležité strategické a taktickú hodnotu v oblasti bezpečnosti a záchrany. Západné rozvinuté krajiny na čele so Spojenými štátmi, hoci prikladajú veľký význam výskumu a vývoju pokročilých laserových zbraní, tiež energicky podporujú výskum laserovej ochrany a tešia sa na všetky vysokohodnotné vojensko-civilné platformy optoelektronických nákladov, vojenského vybavenia a personálu pre účinná laserová ochrana. Počas posledných dvoch desaťročí sa ľudia neustále snažili získať funkčné materiály, ktoré môžu účinne chrániť lasery, ako sú fullerény, uhlíkové nanorúrky (CNT), grafén, porfyrín, ftalocyanín, naftalokyanín, komplexy zmiešaných kovov, suspenzia sadzí, kov/kov. postupne sa pripravujú oxidové nanočastice/nanodrôty, polovodičové nanočastice/nanodrôty, polyméry a ich kompozity, organické/anorganické kompozitné materiály a ďalšie nelineárne optické materiály.

V posledných rokoch sa objavili dvojrozmerné funkčné materiály (grafén, hexagonálny nitrid bóru, halogenidy prechodných kovov, grafitizovaný nitrid uhlíka, vrstvené oxidy kovov atď.), dvojrozmerné polyméry, kovovo-organické štruktúry, perovskity, čierny fosfor (čierny fosfor, BP) atď. (obrázok 1) a ich deriváty sa používajú v tranzistoroch s efektom poľa, optických modulátoroch, laseroch s uzamknutým režimom a s prepínaním Q, optickom obmedzovaní, ukladaní informácií a energie. Polia ako rádiofrekvenčné zariadenia a chemické senzory ukázali stále dôležitejšia potenciálna aplikačná hodnota. V roku 2014 šesťdesiatštyri vedcov v oblasti materiálov z celého sveta spoločne napísali „Cestovnú mapu vývoja pre grafén a iné dvojrozmerné materiály“, ktorá poskytla budúci vývoj dvojrozmerných materiálov smer. Tieto dvojrozmerné materiály však nie sú rozpustné v žiadnych organických rozpúšťadlách, čo výrazne obmedzuje spracovanie roztoku a aplikačné schopnosti materiálov. Pomocou „predsyntetizovaného organického alebo polymérneho vrúbľovania do (vrúbľovania do ) alebo „vrúbľovania organických skupín alebo polymérnych reťazcov priamo z povrchu dvojrozmerných materiálov“ je možné navrhnúť a pripraviť veľké množstvo organických/polymérov na báze dvojrozmerných nanomateriálov. Molekulárne optoelektronické funkčné materiály. Tento článok zhŕňa pokrok vo výskume v oblasti optického obmedzovania v posledných rokoch na základe najreprezentatívnejších dvojrozmerných materiálov a ich organických/polymérových derivátov, ako sú grafén, BP, sulfidy prechodných kovov a perovskity. kľúčové vedecké otázky a budúce trendy vývoja.

Niekoľko typických dvojrozmerných materiálov a schémy ich použitia

Z hľadiska princípov fungovania možno technológiu laserovej ochrany rozdeliť do dvoch kategórií: technológiu laserovej ochrany založenú na princípoch lineárnej optiky a technológiu laserovej ochrany založenú na princípoch nelineárnej optiky (NLO). Okrem toho existuje aj technológia ochrany proti tepelne indukovanej zmene fázy a technológia ochrany mechanickej mikroštruktúry atď. Relatívne povedané, materiály na ochranu lasera založené na nelineárnych optických princípoch majú širokospektrálnu odolnosť voči laserom s premenlivou vlnovou dĺžkou, rýchle časy odozvy a aktiváciu chrániča. neovplyvňuje detekciu alebo spracovanie obrazu a prenosové schopnosti prístroja. , môže účinne znížiť intenzitu lasera na úroveň prijateľnú pre optické prístroje, vojenské vybavenie a ľudské oko. Má mimoriadne vysokú praktickú aplikačnú hodnotu a je tiež kľúčovou témou výskumu v tejto oblasti na medzinárodnej úrovni. Ako je znázornené na obrázku 2, najdôležitejšie Mechanizmus laserovej ochrany (optický limitný, OL) zahŕňa hlavne excitovanú reverznú saturovateľnú absorpciu (RSA), dvojfotónovú absorpciu/multifotónovú absorpciu (TPA/MPA), voľnú absorpciu nosiča (voľná- absorpcia nosiča, FCA), nelineárny lom (NLR) a nelineárny rozptyl (NLS). V oblasti viditeľného svetla je rozsah ochrany materiálov RSA v roztokoch a pevných filmoch medzi 400 -600 nm, zatiaľ čo materiály TPA vytvárajú optické obmedzujúce účinky v dôsledku absorpcie excitovaného stavu v oblasti 600-800 nm. Oblasť optického obmedzujúceho účinku materiálov NLS sa môže rozšíriť do blízkej infračervenej oblasti. RSA, FCA a tepelné efekty vyvolávajú Nelineárny lom zahŕňa kumulatívne nelineárne efekty, zatiaľ čo nelineárny lom spôsobený MPA a efektmi voľných elektrónov sú okamžité nelineárne efekty. Prvý závisí od energetického toku naneseného vo vzorke, zatiaľ čo druhý závisí iba od dopadajúceho lasera. Okamžitá intenzita. RSA sa zvyčajne vyrába z molekulárneho systému, v ktorom je absorpčný prierez v excitovanom stave väčší ako absorpčný prierez v základnom stave. So zvyšujúcou sa energiou dopadajúceho svetla sa absorpcia svetla antisaturovateľným absorpčným materiálom ďalej zvyšuje a miera priepustnosti svetla klesá. MPA (najmä TPA) ) je dôležitý okamžitý nelineárny efekt, ktorý je ľahko pozorovateľný v mnohých polovodičových materiáloch. Elektróny vo valenčnom pásme absorbujú viacero fotónov cez virtuálny stredný stav, aby vybudili prechod do vodivého pásma materiálu. Pre FCA môžu nosiče generované absorpciou fotónov alebo tepelnými účinkami vo vodivom pásme (elektróny) a valenčnom pásme (diery) nepretržite absorbovať fotóny a prechádzať z nízkych energetických hladín na vysoké energetické hladiny. Keď je počet generovaných voľných nosičov veľký, tento proces môže hrať určitú úlohu. NLR môže pochádzať z reálnej časti χ(3) (elektrónová Kerrova nelinearita), čo je okamžitá alebo prechodná nelinearita, alebo môže pochádzať z kumulatívnych efektov generovania nosičov vyvolaných absorpciou fotónov alebo tepelnými efektmi. Od Samozaostrovanie alebo samorozostrovanie NLR možno použiť na optické obmedzenie. NLS hrá dôležitú úlohu v optických procesoch založených na nanomateriáloch. Rozptyl zvyčajne zahŕňa Rayleighov rozptyl, Tyndallov rozptyl a Ramanov rozptyl. Keď je veľkosť častíc menšia ako alebo keď je oveľa menšia ako vlnová dĺžka dopadajúceho svetla (menej ako jedna desatina vlnovej dĺžky), intenzita rozptýleného svetla v každom smere je iná, čo je nepriamo úmerné štvrtej vlnovej dĺžke. sila vlnovej dĺžky dopadajúceho svetla. Tento jav sa nazýva Rayleighov rozptyl. V súčasnosti možno na analýzu použiť teóriu Rayleighovho rozptylu. Ak je však veľkosť stredu rozptylu rovnaká alebo väčšia ako vlnová dĺžka dopadajúceho svetla, intenzita rozptylu je úmerná druhej mocnine frekvencie a rozptyl je väčší v doprednom smere svetla ako v spätnom smere. smer. Silná, smerovosť je relatívne zrejmá a na analýzu v súčasnosti možno použiť teóriu Mieho rozptylu. Rovnako ako MPA, NLS nie je citlivý na úzky rozsah rezonančných vlnových dĺžok dopadajúceho svetla, takže môže prispieť k širokopásmovej optickej obmedzujúcej odozve. V literatúre sa uvádza, že existuje mnoho spôsobov, ako vyvolať centrá rozptylu. Toto centrum rozptylu môže pochádzať z vytvárania bublín rozpúšťadla alebo z diskontinuity indexu lomu spôsobenej plazmou vytvorenou na povrchu nanomateriálu a tepelného účinku rozpúšťadla obklopujúceho nanočastice. Z hľadiska praktickej aplikácie je ideálne navrhovať nelineárne optické materiály s viacerými optickými obmedzujúcimi mechanizmami (ako je anti-saturačná absorpcia, dvojfotón, rozptyl svetla atď.), aby sa dosiahla širokospektrálna laserová ochrana, ale je dosť náročné.

Optické limitujúce mechanizmy: (a) Nelineárny rozptyl; (b) multifotónová absorpcia;

c) reverzná saturovateľná absorpcia; (d) absorpcia voľného nosiča

Kontaktné informácie:

Ak máte nejaké nápady, neváhajte sa s nami porozprávať. Bez ohľadu na to, kde sú naši zákazníci a aké sú naše požiadavky, budeme nasledovať náš cieľ poskytovať našim zákazníkom vysokú kvalitu, nízke ceny a najlepšie služby.