一种掺杂金纳米颗粒的玻璃及其制备方法和飞秒激光辐照系统技术方案

本发明专利技术涉及一种掺杂金纳米颗粒的玻璃及其制备方法和用于实现所述制备方法的飞秒激光辐照系统，所述制备方法包括：制备样品；将玻璃抛光片样品置于靶室中，使用紫外飞秒激光作为辐照光源进行辐照；退火：室温下将辐照后的样品放入退火炉，升温至570‑590℃，保温0.5‑1h，然后自然冷却，即得成品。本发明专利技术通过改变聚焦位置可在红外玻璃的表面控制金纳米颗粒的析出位置，大大地提高了对金纳米颗粒在玻璃中分布的控制精度；同时，本发明专利技术通过调整辐照功率和退火温度可以改变纳米颗粒的团簇效应，能很好地控制掺杂纳米颗粒的大小和分布密度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属纳米颗粒掺杂玻璃制备
，具体涉及一种掺杂金纳米颗粒的玻璃及其制备方法和飞秒激光辐照系统。
技术介绍
金属纳米颗粒具有特有的表面等离子体共振效应、量子尺寸效应和局域场效应，在接近表面等离子体共振激发时，其具有强和超快的非线性响应。掺杂金、银纳米颗粒的玻璃在非线性材料、光学元件、新型光电子器件等领域具有巨大的应用前景，成为研宄热点。传统的制备金属纳米颗粒掺杂玻璃的方法主要有熔融热处理法、溶胶-凝胶法、离子注入法、射频磁控溅射法、气相沉积法、微孔玻璃渗入法、熔融光致晶化法等。纳米功能粒子掺杂玻璃的吸收、反射和非线性响应等光学性能与粒子尺寸、形状、分布和掺杂浓度、基质种类有关。新型光学功能材料对纳米颗粒的大小、分布等具有更高的要求，传统的制备纳米粒子功能掺杂玻璃的方法已经不能满足需求。近年来，一种利用飞秒激光辐照掺杂重金属离子的玻璃并辅以热处理的技术成为制备纳米功能粒子掺杂玻璃的制备方法。例如，文献“Space-selective precipitat1nof metal nanoparticles inside glasses，，(jianrong Qiu, Mitsuru Shirai, TakayukiNakaya et al.App1.Phys.Lett, 2002, 81 (16): 3040-3042.)第一次报道了通过飞秒激光诱导玻璃内部有空间选择性的金离子还原，再通过热处理法，可以控制玻璃内部金纳米颗粒析出的新方法。随后，文献“透明玻璃内部金纳米颗粒的空间选择性析出控制”(曾慧丹，邱建荣，姜雄伟等，硅酸盐学报，200432 (3):270-273)、“激光诱导玻璃内部金纳米颗粒的析出及光谱”(曾慧丹，姜雄伟，曲士良等，光学学报，200323(9):1076-1078)等对这种在玻璃内部制备纳米颗粒的方法进行了深入的研宄；中国专利申请“具有二向色性的、掺杂纳米金颗粒的玻璃及其制备方法”(公开号101798179A，公开日2010年8月11日)公开了一种具有二向色性的、掺杂纳米金颗粒的玻璃及其制备方法，该方法通过在高温下合成出掺杂金的无色透明玻璃，然后将其在500°C?600°C进行二次热处理，制备出紫红色的、掺杂含有大小均一、粒径为纳米尺度的金颗粒的玻璃，最后通过在飞秒激光辐照作用后，对于不同方向的偏振光具有不同吸收系数的功能化光学玻璃，此方法使用了重复频率f = 1000Hz，脉冲波长λ = 400nm的飞秒激光器。以上方法的不足之处是:1)在加工超精细微结构上，红外激光光源尚有改进的空间；2)基于多光子电离和吸收原理的金属离子还原效应，长波长激光的还原效率有待提尚。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的一个目的是提供一种掺杂金纳米颗粒的玻璃，玻璃表面上金纳米颗粒分布均匀，大小为I?5nm。本专利技术的另一个目的是提供上述掺杂金纳米颗粒的玻璃的制备方法，该方法工艺简单，易于操作，能很好地控制掺杂纳米颗粒的大小和密度。本专利技术的第三个目的是提供能实现上述制备方法的飞秒激光辐照系统，该系统结构简单，能灵活地改变聚焦位置，大大地提高了对金纳米颗粒在玻璃中分布的控制精度。为达到以上目的，本专利技术采用的技术方案是:一种掺杂金纳米颗粒的玻璃，通过用紫外飞秒激光对掺杂金的玻璃进行辐照并经退火后自然冷却制成；在所述玻璃的表面或亚表面位置处析出的金纳米颗粒的大小为I?5nm。本专利技术提供的上述掺杂金纳米颗粒的玻璃的制备方法，包括以下步骤:制备样品:按配比称取各原料，研磨，混合均匀，采用熔融热处理法制备溶料，并将溶料浇注成玻璃样品，在Tg温度下退火，将退火后的玻璃样品加工成玻璃抛光片；辐照:将玻璃抛光片样品置于靶室中，使用紫外飞秒激光作为辐照光源，采用单脉冲连续扫描的方法对靶室中的玻璃抛光片样品进行辐照；退火:室温下将辐照后的玻璃抛光片样品放入退火炉，升温至570_590°C，保温0.5-lh，然后自然冷却，即得成品。进一步:辐照步骤所采用的辐照光源相关参数为:波长λ = 248nm，脉冲宽度τ=400f s，重复频率f = 10Hz，单脉冲能量E = 100 μ J?270 μ J ;辐照功率在ImW?2.7mW。再进一步，辐照步骤中采用单脉冲连续扫描的方法进行辐照时，扫描速度为V =200 μm/s，扫描间隔N= 100 μm。进一步，辐照步骤中，对靶室中的抛光片进行辐照前，将靶室抽真空至0.1Pa0进一步，退火步骤中，退火炉以5°C /min的升温速度升温。本专利技术提供的一种用于实现上述制备方法的飞秒激光辐照系统包括靶室、置于靶室中的靶架和聚焦子系统以及置于靶室外的光源子系统，靶架设在三维平台上，聚焦子系统包括用于辐照样品的凸透镜及其支架，光源子系统包括辐照光源和辅助光路。进一步，靶架包括镜架和通过镜架调节机构连接在镜架上的镂空铝制靶，样品通过螺钉固定在镂空铝制靶的镂空结构处，镜架的底部设有用于与三维平台相连的连接杆。进一步，辐照光源为紫外飞秒激光，所述辐照光源相关参数为:波长λ = 248nm，脉冲宽度τ = 400fs，重复频率f = 10Hz，单脉冲能量E = 100 μ J?270 μ J0进一步，所述靶室连接有抽真空装置。本专利技术采用紫外飞秒激光，通过改变聚焦位置，可以在红外玻璃的表面、亚表面根据需求控制金纳米颗粒的析出位置，大大地提高了对金纳米颗粒在玻璃中分布的控制精度；同时，本专利技术通过调整辐照功率和退火工艺(如退火温度、保温时间)可以改变纳米颗粒的团簇效应，进而改变析出的纳米颗粒的大小，能很好地控制掺杂纳米颗粒的大小和分布密度，最终得到的掺杂玻璃表面金纳米颗粒的大小为I?5nm。【附图说明】图1是本专利技术提供的一种掺杂金纳米颗粒的玻璃的制备方法的工艺流程图；图2是退火曲线示意图；图3是本专利技术提供的一种飞秒激光辐照系统的结构示意图；图4是图3中靶室内靶架和聚焦子系统的结构示意图；图5是图4所示革El架的A向示意图。【具体实施方式】下面结合【具体实施方式】对本专利技术作进一步描述。本专利技术提供的一种掺杂金纳米颗粒的玻璃，其通过用紫外飞秒激光对掺杂金的玻璃进行辐照并经退火后自然冷却制成；在所述玻璃的表面或亚表面位置处析出的金纳米颗粒的大小为I?5nm。在描述本专利技术的实施例之前，首先对实施例中所使用的飞秒激光辐照系统进行描述。如图3所示，本专利技术采用的飞秒激光辐照系统包括靶室4、置于靶室4中的靶架2和聚焦子系统3 (见图4)和置于靶室4外的光源子系统，靶架2设在三维平台I上，聚焦子系统3包括用于辐照样品的凸透镜3-1及其支架，光源子系统包括辐照光源6和辅助光路7。所述靶室4连接有抽真空装置(未示出)。 如图4所示，靶架2为特制的靶架，包括镜架2-7和通过镜架调节机构2-5连接在镜架2-7上的镂空铝制靶2-8，样品通过螺钉2-1固定在镂空铝制靶2-8的镂空结构2_4处，镜架2-7的底部设有用于与三维平台I相连的连接杆2-3。三维平台I的调节精度是100纳米，即单步长是100纳米，可通过程序设定走的步长即行程。镂空铝制靶2-8的镂空结构2-4的尺寸可根据靶的尺寸设定，下述实施例中是镂空结构2-4的尺寸为25mmX25mm。镜架调节机构2_5用于调节革E面的俯仰倾斜角度，确保本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种掺杂金纳米颗粒的玻璃，其特征在于，通过用紫外飞秒激光对掺杂金的玻璃进行辐照并经退火后自然冷却制成；在所述玻璃的表面或亚表面位置处析出的金纳米颗粒的大小为1～5nm。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王钦锋，高智星，汤秀章，
申请(专利权)人：中国原子能科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11