摻雜金納米顆粒的玻璃及其制備方法和飛秒激光輻照系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬納米顆粒摻雜玻璃制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種摻雜金納米顆粒的玻璃及其制備方法和飛秒激光輻照系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬納米顆粒具有特有的表面等離子體共振效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和局域場效應(yīng)，在接近表面等離子體共振激發(fā)時，其具有強和超快的非線性響應(yīng)。摻雜金、銀納米顆粒的玻璃在非線性材料、光學(xué)元件、新型光電子器件等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，成為研宄熱點。
[0003]傳統(tǒng)的制備金屬納米顆粒摻雜玻璃的方法主要有熔融熱處理法、溶膠-凝膠法、離子注入法、射頻磁控濺射法、氣相沉積法、微孔玻璃滲入法、熔融光致晶化法等。納米功能粒子摻雜玻璃的吸收、反射和非線性響應(yīng)等光學(xué)性能與粒子尺寸、形狀、分布和摻雜濃度、基質(zhì)種類有關(guān)。新型光學(xué)功能材料對納米顆粒的大小、分布等具有更高的要求，傳統(tǒng)的制備納米粒子功能摻雜玻璃的方法已經(jīng)不能滿足需求。
[0004]近年來，一種利用飛秒激光輻照摻雜重金屬離子的玻璃并輔以熱處理的技術(shù)成為制備納米功能粒子摻雜玻璃的制備方法。例如，文獻“Space-selective precipitat1nof metal nanoparticles inside glasses，，(jianrong Qiu, Mitsuru Shirai, TakayukiNakaya et al.App1.Phys.Lett, 2002, 81 (16): 3040-3042.)第一次報道了通過飛秒激光誘導(dǎo)玻璃內(nèi)部有空間選擇性的金離子還原，再通過熱處理法，可以控制玻璃內(nèi)部金納米顆粒析出的新方法。隨后，文獻“透明玻璃內(nèi)部金納米顆粒的空間選擇性析出控制”(曾慧丹，邱建榮，姜雄偉等，硅酸鹽學(xué)報，200432 (3):270-273)、“激光誘導(dǎo)玻璃內(nèi)部金納米顆粒的析出及光譜”(曾慧丹，姜雄偉，曲士良等，光學(xué)學(xué)報，200323(9):1076-1078)等對這種在玻璃內(nèi)部制備納米顆粒的方法進行了深入的研宄；中國專利申請“具有二向色性的、摻雜納米金顆粒的玻璃及其制備方法”(公開號101798179A，公開日2010年8月11日)公開了一種具有二向色性的、摻雜納米金顆粒的玻璃及其制備方法，該方法通過在高溫下合成出摻雜金的無色透明玻璃，然后將其在500°C?600°C進行二次熱處理，制備出紫紅色的、摻雜含有大小均一、粒徑為納米尺度的金顆粒的玻璃，最后通過在飛秒激光輻照作用后，對于不同方向的偏振光具有不同吸收系數(shù)的功能化光學(xué)玻璃，此方法使用了重復(fù)頻率f = 1000Hz，脈沖波長λ = 400nm的飛秒激光器。以上方法的不足之處是:1)在加工超精細微結(jié)構(gòu)上，紅外激光光源尚有改進的空間；2)基于多光子電離和吸收原理的金屬離子還原效應(yīng)，長波長激光的還原效率有待提尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的一個目的是提供一種摻雜金納米顆粒的玻璃，玻璃表面上金納米顆粒分布均勻，大小為I?5nm。
[0006]本發(fā)明的另一個目的是提供上述摻雜金納米顆粒的玻璃的制備方法，該方法工藝簡單，易于操作，能很好地控制摻雜納米顆粒的大小和密度。
[0007]本發(fā)明的第三個目的是提供能實現(xiàn)上述制備方法的飛秒激光輻照系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，能靈活地改變聚焦位置，大大地提高了對金納米顆粒在玻璃中分布的控制精度。
[0008]為達到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種摻雜金納米顆粒的玻璃，通過用紫外飛秒激光對摻雜金的玻璃進行輻照并經(jīng)退火后自然冷卻制成；在所述玻璃的表面或亞表面位置處析出的金納米顆粒的大小為I?5nm。
[0009]本發(fā)明提供的上述摻雜金納米顆粒的玻璃的制備方法，包括以下步驟:
[0010]制備樣品:按配比稱取各原料，研磨，混合均勻，采用熔融熱處理法制備溶料，并將溶料澆注成玻璃樣品，在Tg溫度下退火，將退火后的玻璃樣品加工成玻璃拋光片；
[0011]輻照:將玻璃拋光片樣品置于靶室中，使用紫外飛秒激光作為輻照光源，采用單脈沖連續(xù)掃描的方法對靶室中的玻璃拋光片樣品進行輻照；
[0012]退火:室溫下將輻照后的玻璃拋光片樣品放入退火爐，升溫至570_590°C，保溫0.5-lh，然后自然冷卻，即得成品。
[0013]進一步:輻照步驟所采用的輻照光源相關(guān)參數(shù)為:波長λ = 248nm，脈沖寬度τ=400f s，重復(fù)頻率f = 10Hz，單脈沖能量E = 100 μ J?270 μ J ;輻照功率在ImW?2.7mW。
[0014]再進一步，輻照步驟中采用單脈沖連續(xù)掃描的方法進行輻照時，掃描速度為V =200 μm/s，掃描間隔N= 100 μm。
[0015]進一步，輻照步驟中，對靶室中的拋光片進行輻照前，將靶室抽真空至0.1Pa0
[0016]進一步，退火步驟中，退火爐以5°C /min的升溫速度升溫。
[0017]本發(fā)明提供的一種用于實現(xiàn)上述制備方法的飛秒激光輻照系統(tǒng)包括靶室、置于靶室中的靶架和聚焦子系統(tǒng)以及置于靶室外的光源子系統(tǒng)，靶架設(shè)在三維平臺上，聚焦子系統(tǒng)包括用于輻照樣品的凸透鏡及其支架，光源子系統(tǒng)包括輻照光源和輔助光路。
[0018]進一步，靶架包括鏡架和通過鏡架調(diào)節(jié)機構(gòu)連接在鏡架上的鏤空鋁制靶，樣品通過螺釘固定在鏤空鋁制靶的鏤空結(jié)構(gòu)處，鏡架的底部設(shè)有用于與三維平臺相連的連接桿。
[0019]進一步，輻照光源為紫外飛秒激光，所述輻照光源相關(guān)參數(shù)為:波長λ = 248nm，脈沖寬度τ = 400fs，重復(fù)頻率f = 10Hz，單脈沖能量E = 100 μ J?270 μ J0
[0020]進一步，所述靶室連接有抽真空裝置。
[0021]本發(fā)明采用紫外飛秒激光，通過改變聚焦位置，可以在紅外玻璃的表面、亞表面根據(jù)需求控制金納米顆粒的析出位置，大大地提高了對金納米顆粒在玻璃中分布的控制精度；同時，本發(fā)明通過調(diào)整輻照功率和退火工藝(如退火溫度、保溫時間)可以改變納米顆粒的團簇效應(yīng)，進而改變析出的納米顆粒的大小，能很好地控制摻雜納米顆粒的大小和分布密度，最終得到的摻雜玻璃表面金納米顆粒的大小為I?5nm。
【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明提供的一種摻雜金納米顆粒的玻璃的制備方法的工藝流程圖；
[0023]圖2是退火曲線示意圖；
[0024]圖3是本發(fā)明提供的一種飛秒激光輻照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖4是圖3中靶室內(nèi)靶架和聚焦子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖5是圖4所示革El架的A向示意圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步描述。
[0028]本發(fā)明提供的一種摻雜金納米顆粒的玻璃，其通過用紫外飛秒激光對摻雜金的玻璃進行輻照并經(jīng)退火后自然冷卻制成；在所述玻璃的表面或亞表面位置處析出的金納米顆粒的大小為I?5nm。
[0029]在描述本發(fā)明的實施例之前，首先對實施例中所使用的飛秒激光輻照系統(tǒng)進行描述。
[0030]如圖3所示，本發(fā)明采用的飛秒激光輻照系統(tǒng)包括靶室4、置于靶室4中的靶架2和聚焦子系統(tǒng)3 (見圖4)和置于靶室4外的光源子系統(tǒng)，靶架2設(shè)在三維平臺I上，聚焦子系統(tǒng)3包括用于輻照樣品的凸透鏡3-1及其支架，光源子系統(tǒng)包括輻照光源6和輔助光路7。所述靶室4連接有抽真空裝置(未示出)。
[0031 ] 如圖4所示，靶架2為特制的靶架，包括鏡架2-7和通過鏡架調(diào)節(jié)機構(gòu)2-5連接在鏡架2-7上的鏤空鋁制靶2-8，樣品通過螺釘2-1固定在鏤空鋁制靶2-8的鏤空結(jié)構(gòu)2_4處，鏡架2-7的底部設(shè)有用于與三維平臺I相連的連接桿2-3。三維平臺I的調(diào)節(jié)精度是100納米，即單步長是100納米，可通過程序設(shè)定走的步長即行程。
[0032]鏤空鋁制靶2-8的鏤空結(jié)構(gòu)2-4的尺寸可根據(jù)靶的尺寸設(shè)定，下述實施例中是鏤空結(jié)構(gòu)2-4的尺寸為25mmX25mm。鏡架調(diào)節(jié)機構(gòu)2_5用于調(diào)節(jié)革E面的俯仰傾斜角度，確保激光對靶面的垂直入射。
[0033]聚焦子系統(tǒng)采用透紫外的單凸透鏡5，焦斑大小在D = 10 μ m左右。輻照光源6采用紫外飛秒激光。
[0034]輻照光源6可以采用紫外飛秒激光，輔助光路7包括反射鏡、CXD或能量計8以及計算機9等，CCD或能量計8用于檢測輸出脈沖的能量和波形，計算機