วัสดุนาโน 2 มิติในการใช้งานภาคสนามการป้องกันด้วยเลเซอร์

เพื่อให้บรรลุการป้องกันทั้งคลื่นพัลซิ่งและคลื่นต่อเนื่อง (CW) หรือกึ่ง CW ไปพร้อมๆ กันการป้องกันเลเซอร์ความพยายามในการวิจัยที่สำคัญได้ทุ่มเทให้กับวัสดุและกระบวนการจำกัดแสง (OL) ที่ล้ำสมัย เพื่อพยายามที่จะบรรลุมาตรการป้องกันลำแสงเลเซอร์ดังกล่าวในทศวรรษที่ผ่านมา วัสดุนาโนสองมิติ (2D) ที่มีคุณสมบัติพิเศษมากมาย รวมถึงกราฟีน ไดแชลโคจิไนด์ของโลหะทรานซิชัน ฟอสฟอรัสดำ และอื่นๆ ได้กระตุ้นความสนใจในการวิจัยอย่างกว้างขวางของนักวิจัยจำนวนมาก ในเอกสารทบทวนนี้ เราจะอธิบายกลไก OL อย่างเป็นระบบและความสำเร็จล่าสุดในวัสดุนาโน 2 มิติ และอนุพันธ์อินทรีย์/โพลีเมอร์สำหรับการป้องกันด้วยเลเซอร์ ในความพยายามที่จะรักษาข้อได้เปรียบของวัสดุนาโน 2 มิติ เราไม่เพียงแต่สามารถแนะนำโมเลกุลหรือโพลีเมอร์เชิงฟังก์ชันเพื่อผสมผสานกับพวกมันเพื่อสร้างระบบวัสดุหลายเฟสที่ซับซ้อน แต่ยังฝังแผ่นนาโน 2 มิติที่ละลายน้ำได้ซึ่งทำหน้าที่โควาเลนต์ด้วยวัสดุอินทรีย์/โพลีเมอร์ใน โฮสต์โพลีเมอร์เพื่อสร้างวัสดุคอมโพสิตระหว่างโฮสต์และแขกซึ่งคาดว่าจะปรับปรุงประสิทธิภาพ OL ของทั้งระบบ โดยรวมแล้ว ระบบวัสดุนาโนที่มีองค์ประกอบหลายองค์ประกอบที่ซับซ้อนที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและการบังคับใช้ของอุปกรณ์ OL ​​ได้อย่างมาก นอกจากนี้ การศึกษาพื้นฐานของคุณสมบัติทางแสงและโฟโตนิกของวัสดุนาโน 2 มิติ และอนุพันธ์ของพวกมันในโฮสต์ที่เป็นของแข็งต่างๆ มีความสำคัญในการปรับเปลี่ยนวัสดุนาโนในระดับโมเลกุล

นอกจากจะใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านพลเรือนแล้ว เลเซอร์ยังได้รับการพัฒนาเป็นอาวุธเลเซอร์ประเภทต่างๆ ด้วยลักษณะของความเร็วสูง การโจมตีซ้ำๆ การสังหารเป้าหมายที่แม่นยำ ระดับความเสียหายที่ควบคุมได้ ความต้านทานต่อการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า และค่าใช้จ่ายในการดำเนินการที่ประหยัด พวกเขาจะมีบทบาทสำคัญในสงครามในอนาคต การต่อต้านการก่อการร้าย และมีกลยุทธ์ที่มีเอกลักษณ์และสำคัญ และคุณค่าทางยุทธวิธีในการรักษาความปลอดภัยและกู้ภัย ประเทศที่พัฒนาแล้วในตะวันตกที่นำโดยสหรัฐอเมริกา ขณะเดียวกันก็ให้ความสำคัญกับการวิจัยและพัฒนาอาวุธเลเซอร์ขั้นสูง ยังได้ส่งเสริมการวิจัยการป้องกันด้วยเลเซอร์อย่างจริงจัง โดยรอคอยที่จะโหลดออปโตอิเล็กทรอนิกส์แพลตฟอร์มทหาร/พลเรือนที่มีมูลค่าสูง อุปกรณ์ทางทหาร และบุคลากรสำหรับ การป้องกันด้วยเลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพ ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา ผู้คนได้ใช้ความพยายามอย่างไม่หยุดยั้งเพื่อให้ได้วัสดุที่ใช้งานได้ซึ่งสามารถปกป้องเลเซอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่น ฟูลเลอรีน ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) กราฟีน พอร์ไฟริน พทาโลไซยานีน แนฟทาโลไซยานีน สารเชิงซ้อนของโลหะผสม สารแขวนลอยคาร์บอนแบล็ค โลหะ/โลหะ อนุภาคนาโนออกไซด์/ลวดนาโน อนุภาคนาโนของเซมิคอนดักเตอร์/ลวดนาโน โพลีเมอร์และคอมโพสิต วัสดุคอมโพสิตอินทรีย์/อนินทรีย์ และวัสดุเชิงแสงที่ไม่เป็นเชิงเส้นอื่นๆ กำลังค่อยๆ เตรียมขึ้น

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุเชิงฟังก์ชันสองมิติ (กราฟีน โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม โลหะทรานซิชันเฮไลด์ คาร์บอนไนไตรด์แบบกราไฟต์ โลหะออกไซด์เป็นชั้น ฯลฯ) โพลีเมอร์สองมิติ กรอบโครงสร้างโลหะ-อินทรีย์ เปอร์รอฟสกี้ ฟอสฟอรัสสีดำ (ฟอสฟอรัสดำ BP) ฯลฯ (รูปที่ 1) และอนุพันธ์ของพวกมันถูกใช้ในทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม ตัวปรับแสง เลเซอร์ล็อคโหมดและสวิตช์ Q การจำกัดแสง การจัดเก็บข้อมูลและพลังงาน สนามต่างๆ เช่น อุปกรณ์ความถี่วิทยุและเซ็นเซอร์เคมีได้แสดงให้เห็นแล้ว มูลค่าการใช้งานที่เป็นไปได้ที่สำคัญมากขึ้น ในปี 2014 นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุจำนวน 64 คนจากทั่วโลกได้ร่วมกันเขียน "แผนงานการพัฒนาสำหรับกราฟีนและวัสดุสองมิติอื่นๆ" ซึ่งให้แนวทางในการพัฒนาวัสดุสองมิติในอนาคต อย่างไรก็ตาม วัสดุสองมิติเหล่านี้ไม่สามารถละลายได้ในตัวทำละลายอินทรีย์ใดๆ ซึ่งเป็นการจำกัดการประมวลผลสารละลายและความสามารถในการประยุกต์ของวัสดุอย่างรุนแรง การใช้ "การกราฟต์อินทรีย์หรือพอลิเมอร์ที่สังเคราะห์ไว้ล่วงหน้า (การกราฟต์ไปยัง ) หรือ "การกราฟต์กลุ่มอินทรีย์หรือสายโซ่โพลีเมอร์โดยตรงจากพื้นผิวของวัสดุสองมิติ" สามารถออกแบบและเตรียมสารอินทรีย์/พอลิเมอร์จำนวนมากโดยอิงจากวัสดุนาโนสองมิติ วัสดุเชิงฟังก์ชันออปโตอิเล็กทรอนิกส์ระดับโมเลกุล บทความนี้จะทบทวนความก้าวหน้าของการวิจัยในสาขาการจำกัดทางแสงในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาโดยพิจารณาจากวัสดุสองมิติที่เป็นตัวแทนมากที่สุดและอนุพันธ์ของสารอินทรีย์/โพลีเมอร์ เช่น กราฟีน BP ซัลไฟด์ของโลหะทรานซิชัน และเพอร์รอฟสกี้ ที่มีอยู่ ประเด็นทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญและแนวโน้มการพัฒนาในอนาคต

วัสดุสองมิติทั่วไปหลายชนิดและแผนผังการใช้งาน

ในแง่ของหลักการทำงาน เทคโนโลยีการป้องกันด้วยเลเซอร์สามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่ เทคโนโลยีการป้องกันด้วยเลเซอร์ตามหลักการของเลนส์เชิงเส้น และเทคโนโลยีการป้องกันด้วยเลเซอร์ตามหลักการของเลนส์ไม่เชิงเส้น (NLO) นอกจากนี้ยังมีเทคโนโลยีการป้องกันการเปลี่ยนเฟสที่เกิดจากความร้อนและเทคโนโลยีการป้องกันโครงสร้างจุลภาคทางกล ฯลฯ กล่าวโดยสรุป วัสดุป้องกันเลเซอร์ที่ใช้หลักการทางแสงแบบไม่เชิงเส้นมีความต้านทานในวงกว้างต่อเลเซอร์ความยาวคลื่นที่แปรผัน เวลาตอบสนองที่รวดเร็ว และการเปิดใช้งานตัวป้องกัน ไม่ส่งผลกระทบต่อการตรวจจับหรือการประมวลผลภาพและความสามารถในการส่งผ่านของเครื่องมือ สามารถลดความเข้มของเลเซอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพให้อยู่ในระดับที่เครื่องมือทางสายตา อุปกรณ์ทางการทหาร และสายตามนุษย์ยอมรับได้ มีมูลค่าการใช้งานจริงที่สูงมากและยังเป็นหัวข้อการวิจัยที่สำคัญในสาขานี้ในระดับสากล ดังแสดงในรูปที่ 2 กลไกการป้องกันด้วยเลเซอร์ที่สำคัญที่สุด (การจำกัดแสง, OL) ส่วนใหญ่ประกอบด้วยการดูดกลืนแสงแบบดูดซับแบบย้อนกลับแบบตื่นเต้น (RSA), การดูดกลืนโฟตอนสองตัว/การดูดกลืนหลายโฟตอน (TPA/MPA), การดูดกลืนแบบพาหะอิสระ (ฟรี การดูดซับของพาหะ, FCA), การหักเหแบบไม่เชิงเส้น (NLR) และการกระเจิงแบบไม่เชิงเส้น (NLS) ในบริเวณแสงที่ตามองเห็น ช่วงการป้องกันของวัสดุ RSA ในสารละลายและฟิล์มแข็งอยู่ระหว่าง 400 -600 นาโนเมตร ในขณะที่วัสดุ TPA ให้ผลจำกัดการมองเห็นเนื่องจากการดูดกลืนแสงในสภาวะตื่นเต้นในบริเวณ 600-800 นาโนเมตร พื้นที่เอฟเฟกต์จำกัดแสงของวัสดุ NLS สามารถขยายไปยังบริเวณอินฟราเรดใกล้ได้ RSA, FCA และผลกระทบจากความร้อนทำให้เกิดการหักเหแบบไม่เชิงเส้นเกี่ยวข้องกับผลกระทบแบบไม่เชิงเส้นแบบสะสม ในขณะที่การหักเหแบบไม่เชิงเส้นที่เกิดจาก MPA และเอฟเฟกต์อิเล็กตรอนอิสระจะส่งผลแบบไม่เชิงเส้นทันที แบบแรกขึ้นอยู่กับฟลักซ์พลังงานที่สะสมอยู่ในตัวอย่าง ในขณะที่แบบหลังขึ้นอยู่กับเลเซอร์ที่ตกกระทบเท่านั้น ความรุนแรงที่เกิดขึ้นทันที RSA มักจะผลิตจากระบบโมเลกุลซึ่งภาคตัดขวางการดูดซับในสภาวะตื่นเต้นมีขนาดใหญ่กว่าภาคตัดขวางการดูดซับในสถานะพื้นดิน เมื่อพลังงานของแสงตกกระทบเพิ่มขึ้น การดูดกลืนแสงโดยวัสดุดูดซับแสงที่ต้านความอิ่มตัวจะเพิ่มขึ้นอีก และระดับการส่งผ่านแสงจะลดลง MPA (โดยเฉพาะ TPA) ) เป็นผลไม่เชิงเส้นที่สำคัญในทันทีซึ่งสังเกตได้ง่ายในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลายชนิด อิเล็กตรอนในแถบวาเลนซ์ดูดซับโฟตอนหลายตัวผ่านสถานะตัวกลางเสมือนเพื่อกระตุ้นการเปลี่ยนไปใช้แถบการนำไฟฟ้าของวัสดุ สำหรับ FCA ตัวพาที่เกิดจากการดูดซับโฟตอนหรือผลกระทบทางความร้อนในแถบการนำไฟฟ้า (อิเล็กตรอน) และแถบเวเลนซ์ (รู) สามารถดูดซับโฟตอนได้อย่างต่อเนื่องและเปลี่ยนจากระดับพลังงานต่ำไปเป็นระดับพลังงานสูง เมื่อจำนวนผู้ให้บริการฟรีที่สร้างขึ้นมีจำนวนมาก กระบวนการนี้อาจมีบทบาทบางอย่าง NLR อาจมาจากส่วนที่แท้จริงของ χ(3) (ความไม่เชิงเส้นของอิเล็กตรอน Kerr) ซึ่งเป็นความไม่เชิงเส้นที่เกิดขึ้นทันทีหรือชั่วคราว หรืออาจมาจากผลกระทบของการสร้างพาหะสะสมที่เกิดจากการดูดซับโฟตอนหรือผลกระทบจากความร้อน จาก การโฟกัสตัวเองหรือการพร่ามัวในตัวเองของ NLR สามารถนำไปใช้กับการจำกัดแสงได้ NLS มีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางแสงโดยใช้วัสดุนาโน การกระเจิงมักประกอบด้วยการกระเจิงแบบเรย์ลีห์ การกระเจิงของทินดัลล์ และการกระเจิงแบบรามาน เมื่อขนาดอนุภาคเล็กกว่า หรือเมื่อมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงตกกระทบมาก (น้อยกว่า 1 ใน 10 ของความยาวคลื่น) ความเข้มของแสงที่กระจัดกระจายในแต่ละทิศทางจะแตกต่างกันซึ่งมีสัดส่วนผกผันกับทิศทางที่ 4 พลังของความยาวคลื่นของแสงตกกระทบ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการกระเจิงแบบเรย์ลีห์ ในเวลานี้ สามารถใช้ทฤษฎีการกระเจิงของเรย์ลีห์ในการวิเคราะห์ได้ อย่างไรก็ตาม เมื่อขนาดของศูนย์กลางการกระเจิงเท่ากับหรือมากกว่าความยาวคลื่นของแสงตกกระทบ ความเข้มของการกระเจิงจะเป็นสัดส่วนกับกำลังสองของความถี่ และการกระเจิงจะมีมากขึ้นในทิศทางไปข้างหน้าของแสงมากกว่าในทิศทางย้อนกลับ ทิศทาง. ทิศทางค่อนข้างชัดเจน และทฤษฎีการกระเจิงของมิเอะสามารถนำมาใช้ในการวิเคราะห์ได้ในขณะนี้ เช่นเดียวกับ MPA NLS ไม่มีความไวต่อช่วงความยาวคลื่นเรโซแนนซ์แคบของแสงที่ตกกระทบ ดังนั้นจึงอาจส่งผลต่อการตอบสนองการจำกัดออปติคัลของบรอดแบนด์ มันถูกเสนอไว้ในวรรณคดี มีหลายวิธีที่จะกระตุ้นให้เกิดศูนย์กระจาย ศูนย์กระจายนี้อาจมาจากการสร้างฟองตัวทำละลายหรือจากความไม่ต่อเนื่องของดัชนีการหักเหของแสงที่เกิดจากพลาสมาที่เกิดขึ้นบนพื้นผิวของวัสดุนาโนและผลกระทบทางความร้อนของตัวทำละลายที่อยู่รอบอนุภาคนาโน จากมุมมองของการใช้งานจริง การออกแบบวัสดุออปติกแบบไม่เชิงเส้นที่มีกลไกการจำกัดออพติคัลหลายอย่าง (เช่น การดูดซับความอิ่มตัวของสี โฟตอนสองตัว การกระเจิงของแสง ฯลฯ) เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการป้องกันเลเซอร์ในวงกว้าง แต่ค่อนข้างจะ ที่ท้าทาย.

กลไกการจำกัดแสง: (a) การกระเจิงแบบไม่เชิงเส้น; (b) การดูดซับหลายโฟตอน;

(c) การดูดซับที่อิ่มตัวแบบย้อนกลับ; (d) การดูดซึมของผู้ให้บริการอิสระ

ข้อมูลติดต่อ:

หากคุณมีความคิดใด ๆ โปรดพูดคุยกับเรา ไม่ว่าลูกค้าของเราจะอยู่ที่ไหนและความต้องการของเราคืออะไร เราจะปฏิบัติตามเป้าหมายของเราเพื่อให้ลูกค้าของเราได้รับคุณภาพสูง ราคาต่ำ และบริการที่ดีที่สุด