Nanomateriale 2D în aplicarea în domeniul protecției laserului

Pentru a obține protecție simultană împotriva undelor pulsate și continue (CW) sau cvasi-CWProtecție cu laser, efort semnificativ de cercetare a fost dedicat materialelor și proceselor de ultimă generație de limitare optică (OL) în încercarea de a obține unele măsuri de protecție împotriva unor astfel de fascicule laser în ultimele decenii. Nanomaterialele bidimensionale (2D) cu o mulțime de proprietăți unice, inclusiv grafen, dicalcogenuri ale metalelor de tranziție, fosfor negru și altele, au trezit interesul amplu de cercetare al multor cercetători. În această lucrare de revizuire, descriem sistematic mecanismele OL și realizările recente în nanomaterialele 2D și derivații lor organici/polimerici pentru protecția laserului. Într-un efort de a susține avantajul nanomaterialelor 2D, se pot introduce nu numai molecule funcționale sau polimeri care să se amestece cu ei pentru a forma un sistem complex de materiale multifazice, ci și să încorporeze nanofoile 2D solubile funcționalizate covalent cu materiale organice/polimerice în o gazdă polimer pentru a forma materiale compozite gazdă-oaspete care se așteaptă să îmbunătățească performanța OL a întregului sistem. Per total, un sistem complex de nanomateriale multicomponente optimizat îmbunătățește enorm performanța și aplicabilitatea dispozitivelor OL. În plus, studiile fundamentale ale proprietăților fotofizice și fotonice ale nanomaterialelor 2D și derivaților acestora în diferite gazde solide sunt importante pentru modificarea nanomaterialelor la nivel molecular.

Pe lângă faptul că sunt utilizate pe scară largă în domeniile civile, laserele au fost dezvoltate și în diferite tipuri de arme cu laser. Cu caracteristicile lor de mare viteză, lovituri repetate, uciderea precisă a țintei, gradul controlabil de daune, rezistența la interferența electromagnetică și costurile economice de operare, ei vor juca un rol important în războaiele viitoare, împotriva terorismului și are o strategie unică și importantă. și valoarea tactică în securitate și salvare. Țările dezvoltate de Vest conduse de Statele Unite, deși acordă o mare importanță cercetării și dezvoltării armelor laser avansate, promovează, de asemenea, în mod energic cercetarea în domeniul protecției laserului, așteaptă cu nerăbdare toate încărcăturile optoelectronice ale platformei militare/civile de mare valoare, echipamentele militare și personalul pentru protecție eficientă cu laser. În ultimele două decenii, oamenii au depus eforturi neîncetate pentru a obține materiale funcționale care pot proteja eficient laserele, cum ar fi fullerene, nanotuburi de carbon (CNT), grafen, porfirina, ftalocianină, naftalocianină, complexe de metal mixt, suspensie de negru de fum, metal/metal. nanoparticule/nanofirele de oxid, nanoparticulele/nanofirele semiconductoare, polimerii și compozitele acestora, materialele compozite organice/anorganice și alte materiale optice neliniare sunt în curs de pregătire.

În ultimii ani, materiale funcționale bidimensionale (grafen, nitrură de bor hexagonală, halogenuri de metal tranzițional, nitrură de carbon grafitizată, oxizi metalici stratificati etc.), polimeri bidimensionali, cadre metalo-organice, perovskiți, fosfor negru (fosfor negru, BP), etc. (Figura 1) și derivații acestora sunt utilizați în tranzistoare cu efect de câmp, modulatoare optice, lasere cu modul blocat și Q-switched, limitarea optică, stocarea informațiilor și a energiei. Domenii precum dispozitivele de radiofrecvență și senzorii chimici au arătat valoare potențială de aplicare din ce în ce mai importantă. În 2014, șaizeci și patru de oameni de știință din întreaga lume au scris împreună „Foaia de parcurs de dezvoltare pentru grafen și alte materiale bidimensionale”, care a oferit că dezvoltarea viitoare a materialelor bidimensionale indică drumul. Cu toate acestea, aceste materiale bidimensionale nu sunt solubile în niciun solvenți organici, limitând sever procesarea soluției și capacitățile de aplicare ale materialelor. Utilizarea „altoirei organice sau polimerice presentetizate la (altoirea la) sau „altoirea grupărilor organice sau a lanțurilor polimerice direct de pe suprafața materialelor bidimensionale” poate proiecta și prepara un număr mare de organice/polimeri pe baza nanomaterialelor bidimensionale. Materiale funcționale optoelectronice moleculare. Acest articol trece în revistă progresul cercetării în domeniul limitării optice din ultimii ani, pe baza celor mai reprezentative materiale bidimensionale și a derivaților lor organici/polimeri precum grafenul, BP, sulfurile metalelor de tranziție și perovskiții. problemele științifice cheie și tendințele viitoare de dezvoltare.

Mai multe materiale bidimensionale tipice și schemele lor de aplicare

În ceea ce privește principiile de lucru, tehnologia de protecție cu laser poate fi împărțită în două categorii: tehnologia de protecție cu laser bazată pe principiile opticii liniare și tehnologia de protecție cu laser bazată pe principiile opticii neliniare (NLO). În plus, există și tehnologie de protecție a schimbărilor de fază indusă termic și tehnologie de protecție a microstructurii mecanice etc. Relativ vorbind, materialele de protecție laser bazate pe principii optice neliniare au rezistență pe spectru larg la lasere cu lungime de undă variabilă, timpi de răspuns rapid și activarea protectorului. nu afectează capacitatea de detectare sau procesare a imaginii și transmisie ale instrumentului. , poate reduce eficient intensitatea laserului la un nivel acceptabil pentru instrumentele optice, echipamentele militare și ochiul uman. Are o valoare extrem de mare de aplicare practică și este, de asemenea, un subiect cheie de cercetare în acest domeniu la nivel internațional. După cum se arată în Figura 2, cel mai important mecanism de protecție laser (limitare optică, OL) include în principal absorbția saturabilă inversă în stare excitată (RSA), absorbția a doi fotoni/absorbția multi-fotoni (TPA/MPA), absorbția purtătorului liber (liber- absorbția purtătorului, FCA), refracția neliniară (NLR) și împrăștierea neliniară (NLS). În regiunea luminii vizibile, gama de protecție a materialelor RSA în soluții și filme solide este între 400 -600 nm, în timp ce materialele TPA produc efecte de limitare optică datorită absorbției stării excitate în regiunea 600-800 nm. Zona cu efect de limitare optică a materialelor NLS se poate extinde până în regiunea infraroșu apropiat. RSA, FCA și efectele termice induc refracția neliniară implică efecte neliniare cumulative, în timp ce refracția neliniară cauzată de MPA și efectele electronilor liberi sunt efecte neliniare instantanee. Primul depinde de fluxul de energie depus în probă, în timp ce al doilea depinde doar de laserul incident. Intensitatea instantanee. RSA este de obicei produs dintr-un sistem molecular în care secțiunea transversală de absorbție în starea excitată este mai mare decât secțiunea transversală de absorbție în starea fundamentală. Pe măsură ce energia luminii incidente crește, absorbția luminii de către materialul de absorbție antisaturabil crește și mai mult, iar gradul de transmisie a luminii scade. MPA (în special TPA) este un efect neliniar instantaneu important care este ușor de observat în multe materiale semiconductoare. Electronii din banda de valență absorb fotoni multipli printr-o stare intermediară virtuală pentru a excita tranziția la banda de conducție a materialului. Pentru FCA, purtătorii generați prin absorbția fotonilor sau efectele termice în banda de conducție (electroni) și banda de valență (găuri) pot absorbi în mod continuu fotonii și pot trece de la niveluri scăzute de energie la niveluri ridicate de energie. Când numărul de transportatori gratuiti generați este mare, acest proces poate juca un anumit rol. NLR poate proveni din partea reală a lui χ(3) (neliniaritatea electronului Kerr), care este neliniaritatea instantanee sau tranzitorie, sau poate proveni din efectele de generare a purtătorilor cumulative induse de absorbția fotonului sau efectele termice. De la Auto-focalizarea sau auto-defocalizarea NLR poate fi aplicată la limitarea optică. NLS joacă un rol important în procesele optice bazate pe nanomateriale. Scattering include de obicei împrăștierea Rayleigh, împrăștierea Tyndall și împrăștierea Raman. Când dimensiunea particulei este mai mică decât Sau când este mult mai mică decât lungimea de undă a luminii incidente (mai puțin de o zecime din lungimea de undă), intensitatea luminii împrăștiate în fiecare direcție este diferită, ceea ce este invers proporțional cu a patra. puterea lungimii de undă a luminii incidente. Acest fenomen se numește împrăștiere Rayleigh. În acest moment, teoria împrăștierii Rayleigh poate fi utilizată pentru analiză. Cu toate acestea, atunci când dimensiunea centrului de împrăștiere este egală sau mai mare decât lungimea de undă a luminii incidente, intensitatea împrăștierii este proporțională cu pătratul frecvenței, iar împrăștierea este mai mare în direcția înainte a luminii decât în ​​cea înapoi. direcţie. Puternic, direcționalitatea este relativ evidentă, iar teoria împrăștierii Mie poate fi folosită pentru analiză în acest moment. La fel ca MPA, NLS nu este sensibil la intervalul îngust de lungimi de undă de rezonanță a luminii incidente, deci poate contribui la răspunsul de limitare optică de bandă largă. A fost propus în literatura de specialitate Există multe modalități de a induce centre de împrăștiere. Acest centru de împrăștiere poate proveni din generarea de bule de solvent sau din discontinuitatea indicelui de refracție cauzată de plasma formată pe suprafața nanomaterialului și efectul termic al solventului care înconjoară nanoparticulele. Dintr-o perspectivă practică de aplicare, este ideal să se proiecteze materiale optice neliniare cu mecanisme optice multiple de limitare (cum ar fi absorbția anti-saturație, doi fotoni, împrăștierea luminii etc.) pentru a obține o protecție cu laser cu spectru larg, dar este destul de provocator.

Mecanisme de limitare optică: (a) împrăștiere neliniară; (b) absorbție multi-fotoni;

(c) absorbție saturabilă inversă; (d) absorbție de purtător liber

Informații de contact:

Dacă aveți idei, nu ezitați să discutați cu noi. Indiferent unde sunt clienții noștri și care sunt cerințele noastre, ne vom urmări obiectivul de a oferi clienților noștri calitate înaltă, prețuri mici și cele mai bune servicii.