基于非线性吸收胶体悬浮液（colloidal suspension）的激光防护技术

《Defence Technology》：Laser protection technologies based on nonlinear absorption colloidal suspension

　　

随着软杀伤（soft-kill）激光武器对军事光电系统威胁的日益增加，迫切需要兼具高性能、长期稳定性、环境稳健性和操作可持续性的非线性激光防护技术。传统的激光防护材料无论是液体基还是固态，均存在稳定性差、损伤阈值低、环境适应性有限以及缺乏可回收性等关键缺陷。在此，研究人员报道了一种基于胶体悬浮液的非线性激光防护系统，克服了上述局限性。研究人员利用分散在高粘度水溶性聚乙烯亚胺（polyethyleneimine）介质中的磁性氧化石墨烯（Magnetic Graphene Oxide, MGO），使该系统实现了卓越的稳定性（超过两个月无沉降）、高激光损伤阈值（>1.2 J/cm2）以及通过磁回收实现的绿色可回收性。在浓度为0.0219 mg/mL时，MGO胶体悬浮液在1064 nm处表现出22.7%的最小透过率（minimum transmittance）和0.385的非线性光学限幅（Nonlinear Optical Limiting, NOL）能力系数。其防护性能超过了许多现有的NOL材料。通过Z-scan实验测得的非线性吸收系数高达1.69×10?9m/W。此外，该材料在高温（高达75 °C）和长期储存后仍能保持性能稳定。这项研究表明，胶体悬浮液代表了一类新型实用激光防护介质，为防御军事平台免受软杀伤激光威胁提供了一种有前景的解决方案。

论文解读：基于非线性吸收胶体悬浮液的激光防护技术研究

研究背景与意义

随着高功率激光技术的持续进步，激光武器正从实验室研究逐步走向实际军事部署，主要分为硬杀伤（hard-kill）与软杀伤（soft-kill）两类。软杀伤激光武器利用特定波长和功率的激光照射，对人体及精密光电探测设备造成不可逆损伤，因其低成本、低能耗和轻量化优势受到广泛研究，相应的激光防护技术也日益受到关注。目前的激光防护技术主要分为基于线性光学材料、相变材料和非线性光学（Nonlinear Optical, NOL）材料的三类。线性防护方法如窄带滤光片和吸收涂层存在透过率低、工作波长固定及适应性差的问题；相变材料响应慢且光谱覆盖范围有限，难以防护纳秒或皮秒脉冲激光；而非线性激光防护技术利用非线性光学限幅（Optical Limiting, OL）材料提供动态宽带防护机制，具备“弱光高透、强光强衰减”特性，是最具前景的软杀伤激光防护方案之一。然而，现有的液体基NOL材料因颗粒聚集沉降导致长期稳定性差，固体NOL材料则损伤阈值低且防护能力弱，且多数液体材料使用有毒挥发性有机溶剂，难以适应军事极端环境，且缺乏可回收性。为此，发表在《Defence Technology》的该论文提出一种基于胶体悬浮液的非线性激光防护系统，旨在结合液体与固体介质优势，解决稳定性、损伤阈值与环境适应性难题。

主要关键技术方法

研究人员采用简单的物理混合法制备样品，以化学共沉淀法合成的磁性氧化石墨烯（MGO）为溶质，高粘度水溶性聚乙烯亚胺（Polyethyleneimine, PEI）为胶体溶剂介质。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线光谱（EDS）元素映射、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）对MGO粉末进行形貌与结构表征。利用紫外-可见-近红外分光光度计测试线性透过率光谱。采用Nd:YAG激光器（1064 nm, 10 ns脉冲）搭建非线性光学限幅实验装置测量NOL性能，并构建Z-scan实验系统（含闭孔与开孔模式）测定非线性吸收系数，实验中通过挡板控制单脉冲与重复脉冲照射以排除热积累效应。

研究结果

3.1. Nonlinear optical limiting performance（非线性光学限幅性能）

研究人员对不同浓度（0.0073、0.0146、0.0219 mg/mL）及不同厚度（1、2、3 cm）的MGO胶体悬浮液进行NOL实验。结果显示，当入射光能量密度低于0.01 J/cm²时，样品透过率与线性透过率一致；超过0.02 J/cm²时开始表现NOL特性，随能量密度增加透过率下降。浓度为0.0219 mg/mL时，线性透过率61.2%，最小透过率（T_min）达22.7%，NOL能力系数（δ）为0.385，损伤阈值分别为1.223 J/cm²，优于多种固体NOL材料。厚度实验表明作用长度增加增强NOL效应但线性透过率下降。单脉冲与重复脉冲对比实验证明透射率差异低于5%，排除了热效应对NOL性能的主要贡献，确认其为固有的非线性光学响应。

3.2. Discussion on Z-scan experimental results（Z-scan实验结果讨论）

开孔Z-scan实验呈现对称单谷曲线，表明MGO胶体悬浮液具有反向饱和吸收（Reverse Saturable Absorption, RSA）特征。闭孔实验无明显峰谷差，表明非线性折射可忽略。通过拟合得到非线性吸收系数β随浓度增加而增大，最高达1.69×10^?9m/W，优于石墨烯分散液、掺铥钨酸锌晶体等材料。理论透过率曲线与实验数据误差低于5%，验证了RSA为主导机制而非非线性散射，归因于高粘度PEI介质抑制了气泡成核与生长，MGO的激发态吸收（Excited-State Absorption, ESA）是主要物理过程。

3.3. Stability and environmental adaptability verification of MGO colloidal suspension（MGO胶体悬浮液的稳定性与环境适应性验证）

温度变异实验显示，样品在50 °C和75 °C下，T_min分别为23.8%和24.3%，δ值变化小于5%，损伤阈值波动极小，证明高温下性能稳定。长期储存实验表明，样品在室温25 °C储存1个月和2个月后，仍保持均匀粘性凝胶形态无沉降分层，T_min分别为22.4%和22.6%，与新鲜制备样品无显著差异，解决了传统悬浮液数小时至数周即沉降的问题，具备优异的长期存储稳定性与环境适应性。

总结讨论与结论翻译

综上所述，研究人员提出了一种基于非线性吸收的新型胶体悬浮液非线性激光防护技术，并通过简单物理共混法制备了MGO胶体悬浮液。MGO胶体悬浮液在1064 nm处展现出优异的NOL性能，在浓度为0.0219 mg/mL时最小透过率为22.7%，NOL能力系数为0.385。Z-scan测量揭示其具有高非线性吸收系数（高达1.69×10^?9m/W），优于许多传统NOL材料。更重要的是，从实际防御应用角度看，所提出的材料解决了现有NOL技术的若干关键缺陷。首先，高粘度胶体介质有效抑制了颗粒沉降，确保性能稳定超过两个月，较传统液体悬浮液数小时或数周沉降有显著改善。其次，该材料表现出高激光损伤阈值（>1.2 J/cm²）并在高达75 °C的升温环境下保持NOL性能稳定，展示了野外作业优异的环境适应性。第三，MGO的磁可回收性实现了高效循环利用，增强了操作可持续性与成本效益。最后，无毒、不挥发且不燃的成分使其安全适用于敏感或密闭军事平台部署。这些综合优势——高性能、长期稳定性、环境稳健性、绿色可回收性及易制备性——使MGO胶体悬浮液成为未来软杀伤激光对抗系统的有力候选者。作为概念验证演示，本工作清晰展现了该策略的潜力。未来优化可进一步提升防护性能，例如在保持悬浮液稳定的同时采用更强或混合非线性吸收溶质以降低高功率激光下的最小透过率，以及调整背景溶剂粘度以协同引入非线性散射。该工作也为利用胶体悬浮液独特性质开发实用激光防护材料开辟了新途径。

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