2.2 Возможность создания светоклапанного устройства защиты

В нашей стране в течение нескольких лет ведутся исследования по разработке микромеханических светоклапанных устройств с наносекундным временем срабатывания. Эти устройства приводятся в действие за счет использования энергии излучения [15]. Поглощение поверхностью светоклапанного устройства энергии падающего излучения приводит к возникновению множества деформационных микровыступов на отражающей зеркальной поверхности микромеханической структуры и рассеянию отраженной от этой поверхности излучения.

Время возникновения микровыступов должно составлять 0.1…0.2 от длительности ослепляющего импульса излучения, при этом его доля энергии, рассеянной в широком телесном угле, составит 80-90% и будет отсечена апертурной диафрагмой, установленной по ходу луча в оптическом канале средства наблюдения.

Рис. 2.1 Схема образования микровыступов в результате протекания термомеханических процессов в многослойных пленочных структурах на подложке (а - структура в момент облучения, б - образовавшийся куполообразный микровыступ на поверхности структуры)

1 - Подложка;

2, 3 - Промежуточные слои;

4 - Тонкая пленка, подвергающаяся формовке ( металлическая мембрана).

Эффект возникновения микровыступов имеет тепловой характер: поглощенное излучение нагревает газовую среду внутри микрокамер, расположенных под зеркальной поверхностью, до 1000- ; давление в них возрастет до 4…..5 атм. за время порядка 1 нс. Это вызывает деформацию пленки над микрокамерой, создавая выступ высотой порядка сотых долей длины волны падающего лазерного излучения. Рассеивающий эффект наиболее значителен при расстояниях между микровыступами, примерно равных длине волны падающего излучения. Однако это условие не является обязательным.

Один из возможных вариантов технологии изготовления затвора предпологает использование технологических приемов кремниевых микросхем. На кремниевой плоской подложке фотолитографическим путем и избирательным травлением формируется массив микрокамер. Микрокамеры располагаются с шагом 1…2 мкм и имеют глубину 0,1…0,2 мкм. Поверх массива наносят заранее подготовленную металлическую мембрану толщиной порядка 0,05 мкм и соединяют со стенками камер. Готовый чип затвора должен быть помещен в корпус с оптическим окном, защищающим мембрану от механических повреждений [14].

2.3 Конструкция устройства светоклапанного зеркала

Деформация поверхности зеркала, направляющего излучение в оптической схеме прибора наблюдения к фотоприемнику, индуцируемая падающим лазерным излучением, приведет к рассеянию отраженного света. Перемещение зеркала как целого при этом не реализуемо за временной промежуток порядка наносекунды, возможны только деформация его микрообластей.

Максимально возможный размер деформации в направлениях вдоль поверхности зеркала определяется скоростью звука, которое в твердом теле имеет значение порядка 1∙10³÷5∙10³ м/с. За наносекунду возникшая волна деформации распространится на расстояние ℓ = c∙t = 5∙10³∙10^-9 = 5∙10^-6 м, размер деформируемой микрообласти зеркала ограничен этой величиной.

Рассмотрим возможность построения затвора в виде ячеистого зеркала; поверхности ячеек составляют общую поверхность зеркала и под действием мощного излучения, падающего на зеркало и частично им поглощаемого, деформируются, рассеивая свет. На рисунке 2.2 показана схема функционирования такого затвора.

Рис. 2.2 Схема функционирования зеркального ячеистого затвора

Световой поток, идущий от объекта и содержащий, в том числе, импульсы лазерного излучения, проходит прозрачный обтекатель 1, отражается сферическим зеркалом 2 на плоский контррефлектор 3 и далее проходит к приемнику 4.

Зеркало 2 формирует на приемнике 4 лучистой энергии изображение цели. Контррефлектор выполнен в виде микромеханического светоклапанного зеркала. После окончания лазерного импульса ячейки остывают и зеркало становится плоским. Время восстановления – порядка микросекунды. За это время при скорости 1 – 5 скоростей звука объекта переместится на расстояние 0,3 – 1,5 мм, что не приведет к потере объекта оптоэлектронной системой аппарата.

Каждая ячейка имеет мембрану с зеркальной внешней поверхностью и микрокамеру, перекрытую мембраной и содержащую легко испаряющееся вещество. Все ячейки закреплены на массивной подложке. При попадании излучения на мембрану поглощенная его часть нагревает мембрану, прошедшая часть нагревает, испаряет и доводит до кипения среду внутри камеры. Давление насыщенного пара деформирует мембрану, величина давления определяется температурой наиболее холодных участков микрокамеры.

По окончании лазерного импульса тепло за счет теплопроводности уходит в подложку, содержимое микрокамеры остывает, пар конденсируется, давление возвращается в исходное состояние, мембрана вновь становится плоской, ячеистое зеркало перестает рассеивать падающее излучение.

Для одного из вариантов конструкции, с учетом размеров элементов светоклапанного зеркала, модельные расчеты показали, что зеркало срабатывает приблизительно за 1 нс при попадании на него лазерного импульса длительностью 10 нс и пропускает излучение с плотностью энергии 150-300 Дж/ . Если диаметр контррефлектора меньше диаметра сферического зеркала в Nраз, то соответствующая плотность энергии излучения от цели, падающая на обтекатель, при которой сработают световые клапаны, уменьшается пропорционально . К приемнику 4 пройдет только 0,1-0,2 доли энергии излучения, падающего на световые клапаны.

Световой клапан отсекает в данном примере 90% падающей энергии лазерного импульса, то есть ослабляет плотность энергии, падающей на приемник, в 10 раз. При увеличении энергии ослепляющего импульса или при размещении светоклапанного зеркала в таком месте оптической схемы, где больше плотность энергии, например, в области фокуса объектива, выигрыш только увеличивается, так как работа светового клапана имеет пороговый характер [16].