レーザー保護分野での 2D ナノマテリアルの応用（パート 1) - レーザーの安全性

パルス波と連続波 (CW) または準 CW の両方に対する同時保護を実現するにはレーザー保護過去数十年にわたり、このようなレーザー光線に対する何らかの保護手段を達成するために、最先端の光制限（OL）材料とプロセスに多大な研究努力が費やされてきました。グラフェン、遷移金属ジカルコゲニド、黒リンなど、多くのユニークな特性を持つ二次元 (2D) ナノ材料は、多くの研究者の広範な研究関心を引き起こしています。このレビュー論文では、OL メカニズムと、レーザー保護のための 2D ナノマテリアルとその有機/ポリマー誘導体における最近の成果について体系的に説明します。 2D ナノ材料の利点を維持するための取り組みとして、機能性分子またはポリマーを導入してそれらとブレンドして複雑な多相材料系を形成するだけでなく、有機/ポリマー材料で共有結合的に官能化された可溶性 2D ナノシートを埋め込むこともできます。システム全体の OL 性能を向上させることが期待されるホスト - ゲスト複合材料を形成するポリマーホスト。全体として、最適化された複雑な多成分ナノマテリアルシステムにより、OL デバイスの性能と適用性が大幅に向上します。さらに、さまざまな固体ホストにおける 2D ナノマテリアルとその誘導体の光物理的および光子的性質の基礎研究は、ナノマテリアルを分子レベルで修飾するために重要です。

レーザーは民生分野で広く使用されているだけでなく、さまざまな種類のレーザー兵器としても開発されています。高速、反復攻撃、正確な標的殺害、制御可能な損害の程度、電磁干渉への耐性、経済的な運用コストなどの特徴により、将来の戦争、対テロにおいて重要な役割を果たし、ユニークで重要な戦略的役割を果たします。そして安全と救助における戦術的価値。米国を中心とする西側先進国は、先進的なレーザー兵器の研究開発を非常に重視する一方で、レーザー防御研究も精力的に推進しており、すべての高価値の軍事/民間プラットフォーム光電子負荷、軍用機器および人員を期待している。効果的なレーザー保護。過去 20 年にわたり、人々はフラーレン、カーボンナノチューブ (CNT)、グラフェン、ポルフィリン、フタロシアニン、ナフタロシアニン、混合金属錯体、カーボンブラックサスペンション、金属/金属など、レーザーを効果的に保護できる機能性材料を入手するためにたゆまぬ努力をしてきました。酸化物ナノ粒子・ナノワイヤ、半導体ナノ粒子・ナノワイヤ、高分子およびその複合材料、有機・無機複合材料、その他の非線形光学材料が徐々に作製されている。

近年では、二次元機能性材料（グラフェン、六方晶窒化ホウ素、遷移金属ハロゲン化物、黒鉛化窒化炭素、層状金属酸化物など）、二次元高分子、有機金属骨格、ペロブスカイト、黒リン（黒リン、 BP) など (図 1) およびその派生製品は、電界効果トランジスタ、光変調器、モードロックおよび Q スイッチレーザー、光制限、情報およびエネルギー貯蔵、高周波デバイスや化学センサーなどの分野で使用されています。潜在的なアプリケーション価値の重要性がますます高まっています。 2014 年、世界中の 64 人の材料科学者が共同で「グラフェンおよびその他の二次元材料の開発ロードマップ」を作成し、二次元材料の将来の開発が方向性を示しました。ただし、これらの二次元材料はどの有機溶媒にも溶けないため、材料の溶液処理および適用能力が大幅に制限されます。「事前に合成された有機またはポリマーへのグラフト（へのグラフト）」または「二次元材料の表面からの有機基またはポリマー鎖の直接グラフト」を使用すると、二次元ナノ材料に基づいて多数の有機/ポリマーを設計および調製できます。分子光電子機能材料: この記事では、グラフェン、BP、遷移金属硫化物、ペロブスカイトなどの最も代表的な二次元材料とその有機/高分子誘導体に基づいて、近年の光リミッティング分野における研究の進歩をレビューします。重要な科学的問題と将来の開発動向。

Laser Protection

いくつかの代表的な二次元材料とその応用図

動作原理の観点から、レーザー保護技術は 2 つのカテゴリに分類できます。線形光学原理に基づくレーザー保護技術と、非線形光学 (NLO) 原理に基づくレーザー保護技術です。さらに、熱誘起相変化保護技術や機械的微細構造保護技術などもあります。比較的、非線形光学原理に基づいたレーザー保護材料は、可変波長レーザーに対する広域耐性、速い応答時間、およびプロテクターの活性化を備えています。機器の検出機能や画像処理機能、送信機能には影響しません。、レーザー強度を光学機器、軍事機器、人間の目に許容できるレベルまで効果的に下げることができます。実用化価値が極めて高く、国際的にもこの分野の重要な研究テーマとなっている。図 2 に示すように、最も重要なレーザー保護 (光制限、OL) メカニズムには、主に励起状態逆可飽和吸収 (RSA)、二光子吸収/多光子吸収 (TPA/MPA)、自由キャリア吸収 (自由キャリア吸収) が含まれます。キャリア吸収、FCA）、非線形屈折（NLR）、および非線形散乱（NLS）。可視光領域では、溶液および固体膜中の RSA 材料の保護範囲は 400 -600 nm の間ですが、TPA 材料は 600-800 nm 領域の励起状態吸収により光制限効果を生じます。 NLS材料の光制限効果領域は近赤外領域まで拡張可能です。 RSA、FCA、および熱効果によって引き起こされる非線形屈折には累積的な非線形効果が含まれますが、MPA および自由電子効果によって引き起こされる非線形屈折は瞬間的な非線形効果です。前者はサンプルに蓄積されたエネルギー束に依存しますが、後者は入射レーザーのみに依存します。瞬間的な強さ。 RSA は通常、励起状態の吸収断面積が基底状態の吸収断面積よりも大きい分子系から生成されます。入射光のエネルギーが増加すると、反可飽和吸収材料による光の吸収がさらに増加し、光の透過率が低下する。 MPA (特に TPA) ) は、多くの半導体材料で容易に観察される重要な瞬間的非線形効果です。価電子帯の電子は、仮想中間状態を介して複数の光子を吸収し、材料の伝導帯への遷移を励起します。 FCA の場合、伝導帯 (電子) および価電子帯 (正孔) での光子吸収または熱効果によって生成されたキャリアは、継続的に光子を吸収し、低エネルギーレベルから高エネルギーレベルに遷移します。生成されたフリーキャリアの数が多い場合、このプロセスは何らかの役割を果たすことができます。 NLR は、瞬間的または過渡的な非線形性である χ(3) の実部 (電子カー非線形性) に由来する場合もあれば、光子吸収または熱効果によって引き起こされる累積キャリア生成効果に由来する場合もあります。 NLR のセルフフォーカスまたはセルフデフォーカスは、光制限に適用できます。 NLS は、ナノマテリアルに基づく光学プロセスにおいて重要な役割を果たします。散乱には通常、レイリー散乱、チンダル散乱、ラマン散乱が含まれます。粒子サイズが入射光の波長より小さい場合、または粒子サイズが入射光の波長よりはるかに小さい場合（波長の 10 分の 1 以下）、各方向の散乱光の強度は異なり、4 番目に反比例します。入射光の波長のパワー。この現象はレイリー散乱と呼ばれます。このとき、レイリー散乱理論を利用して解析することができます。しかし、散乱中心の大きさが入射光の波長以上の場合、散乱強度は周波数の二乗に比例し、光の後方よりも前方の方が散乱が大きくなります。方向。強度が高く、方向性が比較的明らかであり、現時点ではミー散乱理論を解析に使用できます。 MPA と同様に、NLS は入射光の狭い共鳴波長範囲に敏感ではないため、広帯域の光制限応答に寄与する可能性があります。文献で提案されています散乱中心を誘導するには多くの方法があります。この散乱中心は、溶媒の泡の生成、またはナノ材料の表面に形成されたプラズマとナノ粒子を取り囲む溶媒の熱効果によって引き起こされる屈折率の不連続から生じる可能性があります。実用化の観点からは、複数の光制限機構 (反飽和吸収、二光子、光散乱など) を備えた非線形光学材料を設計して、広域スペクトルのレーザー保護を実現することが理想的ですが、それは非常に困難です。挑戦的。

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