【材料科技】保護眼睛,鞏固………….光學元件?

■人類脆弱的眼睛或是光學元件需要適合的保護,讓他們不會因為受到強光的這射而受到損傷。

光限幅特性示意圖(圖片來源:參考資料4)
光限幅特性示意圖(圖片來源:參考資料4)

撰文|方程毅

雷射,是一種高強度的光束,越來越多光學元件都必須要有雷射才能使用。但是這樣高強度的光,萬一控制得不好就非常有可能造成傷害,無論是對人體還是對於光學感測器等等元件。因此同時兼顧可用性又能保護人跟元件免於損傷就成了一大難題。對於許多高靈敏度的光學元件來說,通常我們希望他能在一定強度的雷射光下運作,但又不希望因為雷射強度太高而造成損壞,因此,若是能有一種材料能阻擋掉高強度的光,但是在光強度較低的環境下又能透光,使光學元件能順利運作,想必非常具有實用價值,光限幅特性(optical power limiting)就是在描述這個現象。

一道光碰到材料之後有三種選擇:被材料反射、被材料吸收或穿透材料。像金屬就是反射能力強,同時吸收能力也強的一種材料;而玻璃就是穿透能力強,但反射跟吸收很弱的材料。

想像一種材料,有點類似玻璃,也就是說幾乎沒有反射,所以當光通過去時,或是被這個材料吸收,或是穿過這個材料,假設這個材料對某個波長的光的穿透率為70%,亦即當強度100的光進來,會有30被這個材料吸收,70穿透這個材料;如果5000的光進來,就會有3500被這個材料吸收,1500穿透這個材料。又假設今天有一支雷射強度在100到500之間,而一個需要這支雷射進行工作光學元件能忍受的最大強度是400,因此當這個材料擺在光學元件前面的時候,70%的穿透率便能有效保護這個光學元件,因為最多也就只有350的光穿透,並照射的光學元件上。

聽起來很不錯吧!

那萬一雷射"秀逗"呢?

突然來了一道強度800的光不就完蛋了嗎?一般來講,材料對特定波長的穿透率都是固定的,不因入射光強度改變而改變(※這裡指的是入射光強度,而不是入射光的能量或波長喔!)因此如果有一種材料的穿透率會隨著入射光的強度增強而下降,便能適時保護光學元件(許多軍事上或是高科技用的元件都是非常昂貴的,禁不起被破壞的),這種現象就叫光限幅特性(這其實是中國大陸的翻譯,目前台灣並沒有一個統一的翻譯,若有讀者知道台灣的中文翻譯歡迎告知)。

繼續拿這個只能容忍光強度400的光學元件跟強度100-500但有時候會秀逗變800的雷射做例子吧。如果一個材料在入射光強度500以下時,穿透率都是70%;但當入射光強度600時,穿透率為60%;入射光強度800時,穿透率更降低為50%,不就能在緊急狀況時保護好這個光學元件嗎?因此許多科學家投入並研究這個現象,這個現象已經不是一般普通光學領域研究的範疇,而是進入到非線性光學(Nonlinear optics)的領域,而要產生光限幅特性,需要一些特殊的機制包含:翻轉飽和吸收(RSA,Reverse saturable absorption)、多光子吸收(MPA, Multiphoton absorption)、非線性散射(nonlinear scattering)或光折變特性(Photo-refraction)。這些機制都牽扯到相當複雜的物理學,在此我們不詳加介紹。

具有光限幅特性並且具應用性的材料必須具備以下特徵:必須具備很短的反應時間,也就是說當入射光能量上升的瞬間,材料的穿透率必須馬上下降,這樣才能達到保護的作用;再者,這個材料平時的穿透率不能太低,若是太低就直接把所有光都擋掉,光學元件便什麼事也做不成(想想看穿透率只有10%太陽眼鏡,是很能保護你的眼睛沒錯,但讓你什麼都看不到是要體驗盲人生活嗎?);當然這個材料必須很穩定,不容易光分解,才能保證其實用性。目前常用的材料包括:奈米碳管、富勒烯(Fullerene)、酞菁(Phthalocyanine)或金屬卟啉(metalloporphyrin)等等。這些材料有個缺點:光限幅特限只出現在入射強度非常大的時候(大約在100W/cm2)左右,如果我們要保護的對象只能承受非常低強度的光時,這些材料就派不上用場了。

好消息是來自日本東京工業大學(Tokyo Institute of Technology)Martin Vacha教授的研究團隊最近發現一個由過度金屬複合體(transition-metalcomplex)及芳香族化合物(aromatic species)構成的雙分子系統在非常低的入射光強度下(大約在10 mW/cm2)便能有光限幅特性,這項研究也被發表在2014年《自然‧材料》(Nature Materials)上。而且Martin Vacha教授的研究團隊也藉由選擇不同材料組合使光限幅特性發生的波長及強度都不同,因此在應用上更有選擇性。有了這項新發現,相信具有光限幅特性的材料能被應用的更廣泛,也能因應不同的強度有更多的選擇囉。

參考資料:
1.S. Hirata, K. Totani, T. Yamashita, C. Adachi and M. Vacha, “Large reverse saturable absorption under weak continuous incoherent light.” Nat. Mater. 13, 938 (2014).
2.A. Qin and B. -Z. Tang, “Modulating optical power“ Nat. Mater. 13, 917 (2014).
3.Z. M. Wang, A.Neogi, &SpringerLink (Online service). Nanoscale Photonics and Optoelectronics: Science and Technology. New York, NY.
4.G.-J. Zhou and W.-Y. Wong, ”Organometallic acetylides of Pt(II), Au(I) and Hg(II) as new generation optical power limiting materials.” Chem. Soc. Rev. 40, 2541 (2011).

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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