Благодаря новой разработке ученых Национального Института Стандартов и Технологии (National Institute of Standards and Technology – NIST) США, которые использовали нано покрытие в измерителе мощности направленного излучения, калибровка мощных лазерных систем станет быстрее, проще и точнее.

Результаты разработки опубликованы в журнале Optics Letters (Black optical coating for high-power laser measurements from carbon nanotubes and silicate).

Новый измеритель мощности, прошедший полноценные испытания на Базе ВВС США, будет использоваться для измерения параметров излучения 10 киловаттных лазерных систем. Сфокусированное излучение 10 кВт лазера более, чем в миллион раз интенсивнее, чем солнечное излучение, достигающее поверхности Земли. До настоящего времени измерители мощности NIST, точно так же как и лазеры, мощность которых они были предназначены измерять, были не переносными и фунционировали крайне медленно. Новый измеритель мощности – много меньшего размера – порядка размера кастрюли скороварки. Новая конструкция прибора облегчает процесс измерения.

Покрытие из углеродных нанотрубок (черного цвета на фото справа) формирует приемную поверхность измерителя мощности лазерного излучения, обеспечивая стабильность и точность медному калориметру при измерении мощности военных лазеров (Изображение: C. Cromer/NIST)

Ключевой инновацией здесь явилось использование напыленного на головку приемника излучения покрытия из углеродных нанотрубок, которое проводит тепло в сотни раз лучше, чем традиционно применямые материалы.

В предложенной конструкции измерителя мощности пучок лазерного излучения направляется в приемную головку, представляющую собой сужающийся медный конус. Вращающееся зеркало на входе распределяет лазерное излучение равномерно по площади конической поверхности, что дает равномерное распределение тепла. Приемная поверхность конуса имеет поглощающее покрытие из многостенных углеродных нанотрубок в связующем составе силиката калия (жидкое стекло). Сама по себе приемная головка измерителя находится в водяной ванне. Покрытие из углеродных нанотрубок обладает очень высокой поглощающей способностью излучения в определенном диапазоне длин волн и, поглощая излучение, нагревается и, соответственно, нагревает воду в охлаждающей водяной рубашке. По изменению температуры воды судят о мощности излучения.

NIST разрабатывает оптические стандарты и устройства для их измерения и поддержания уже в течение нескольких десятилетий. В последние годы исследователи NIST экспериментировали со многими видами поглощающих покрытий на основе нанотрубок, поскольку именно такие покрытия предлагают необычное сочетание желаемых свойств, включая максимальное поглощение излучения. В частности, было обнаружено, что многостенные углеродные нанотрубки поглощают излучение лучше, чем одностенные нанотрубки. В новом приборе использовано покрытие, явившееся результатом этих исследований, имеющее высокую поглощательную способность, высокую стабильность и тепловую прочность. Исследователи продолжают работу по подбору покрытий на основе нанотрубок: основной задачей сегодняшнего дня является создание поглощающего покрытия, которое не только имеет все необходимые механические, оптические и тепловые свойста, но и легко наносится механическим путем на поверхности желаемой структуры и формы, например, как эмалевые краски. Многие из нанопокрытий, разработанных NIST, уже переданы в промышленность.

Разработка нового измерителя мощности была профинансирована ВВС США.

Евгений Биргер