一种基于光致黑体效应的强光学吸收诱导材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有高强光学吸收的诱导材料及其制备方法，属于诱导材料制备技术领域，该方法通过对基质材料进行选择性掺杂和激光烧蚀，使得基质材料对指定波长的光产生不小于0.1％的光吸收，且光吸收率越高越好；利用指定波长的激光去激发材料，使得材料发生光诱导黑体吸收效应，从而在材料内部产生新的能态。该能态是具有宽带强吸收能力的新量子态，它具有宽带、高吸收率的光吸收特征，可以引发材料的光学吸收在很大的光谱范围内产生剧烈的增加，并表现出类似于光子雪崩吸收和光子雪崩发光的特征。这种光诱导强光吸收材料可以有多种实际应用前景；在未来的激光武器系统中应用，提高激光武器的效能，并扩大激光武器击毁装甲材料的范围。材料的范围。材料的范围。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光致黑体效应的强光学吸收诱导材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于诱导材料制备
，具体涉及一种具有高强光学吸收的诱导材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着激光切割和激光武器的发展，越来越多超大功率的激光器得以面世，用强激光熔切、损毁各种材料成为工业、科技和军事领域的重要手段。其具体原理是用高功率的激光去照射材料，当材料对激光具有较强的吸收时，材料很快被加热至气化温度，蒸发形成孔洞从而达到切割材料和击穿装甲的目的。达到上述目的的关键在于材料要对激发光有较强的光吸收。但是大功率激光器的波长通常是固定的，不同波长的激光器只能针对一些特定的材料(对该波长激光器具有强吸收的材料)发挥作用。如果激光的波长与材料的吸收波长不匹配，其工作效能就会大大降低。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中存在的激光的波长与材料的吸收波长不匹配，导致工作效能降低等缺陷，本专利技术提供了一种具有高强光学吸收的诱导材料及其制备方法。
[0004]具体
技术实现思路
如下，在强烈的激光照射下，某些材料会发出明亮的白光，与此同时材料呈现出黑体吸收特征。即在宽带电磁波发射的同时材料对宽波段(不窄于200nm～2500nm)的电磁波具有明显的强烈吸收。宽带发光的突然产生和光吸收的迅速增加是在一个明显的能量积累过程后同步发生的。这些特征类似于光子雪崩发光和光子雪崩吸收。已报道的雪崩发光现象一般满足以下条件：弱的E0基态吸收，强的E1激发态吸收，以及E2高能级到E1激发态能级和E0基态能级到E1激发态能级的两个跃迁之间的有效交叉弛豫，以逐渐布居E1激发态能级。当E1激发态能级的布居达到一定水平时，E1的激发态吸收和E0→
E1+E2→
E1交叉弛豫迅速增加，导致从上面的E2高能级的辐射跃迁以雪崩的方式急剧增加。显然，激发态吸收的增强和激发态布居的增加构成了一个正反馈过程，表现为光吸收和光致发光的突然增强。然而，在我们的最新研究中发现，雪崩式的发光增强伴随着雪崩式的宽带光吸收增强，呈现出黑体吸收特征。当光诱导黑体吸收出现时，实验中所使用的任何材料都会强烈地吸收辐照光，无论其波长如何，被照射材料在全光谱范围都具有强烈的光吸收。这两个特征确切地表明，这些具有宽带强吸收的能级是新产生的量子态，是在强光照射下光诱导产生的新能带，并具有全光谱范围强烈光吸收的特性。准确地说，在这种全新的光子雪崩光学频率转换后，材料将照射到其上的光转换为宽带电磁辐射，其光谱与黑体辐射(或热辐射)非常相似，与此同时材料对宽波段(不窄于200nm～2500nm)的电磁波表现出明显的强烈吸收(吸收率大于90％)。将这种现象称之为光诱导黑体吸收。
[0005]为了验证光学吸收的变化是否与材料的温度有关，测量了材料被加热时的光学吸收。实验结果表明，电加热或火焰加热对其光吸收没有明显的影响。很明显，具有高功率密度的辐照光场是改变材料吸收特性的根本因素。例如，白色样品在强光照射下迅速转化为
具有强吸收的黑体材料，而当光照被移除时，又恢复到原来的状态(如白色)。在近红外激光聚焦照射下，样品(通常为白色)发出强烈的宽带光辐射，在紫外、可见和红外光谱区域的光学吸收明显快速增加，增幅高于90％，就像黑体一样。换句话说，当这些样品发射出强烈的白光发射时，它们的光学吸收突然以雪崩的方式增加。与此同时，样品的光谱色温温度可高达2800℃以上，足以熔化或损毁绝大多数材料。
[0006]与上述实验类似，采用其他波长的激光开展了类似的实验，发现只要激光波长可以被基质材料所吸收，均可实现光诱导黑体吸收现象发生。例如，如果基质材料中掺杂Yb
3+
离子，～980nm的激光(～1W/mm2)就可以诱导黑体吸收现象瞬间发生；如果基质材料中掺杂Er
3+
离子，～1530nm的激光就可以诱导黑体吸收现象发生；如果基质材料中掺杂Nd
3+
离子，～1064nm的激光就可以诱导黑体吸收现象发生；如果基质材料中掺杂CdSe量子点，根据量子点尺寸的不同，400～600nm的激光可以诱导黑体吸收现象发生，依此类推。
[0007]上述发现表明：
[0008]1、光诱导黑体吸收现象发生时，基质材料对光的吸收不再有选择性，即任何波长的光或激光都会被材料强烈地吸收。该特征扩大了激光切割和激光武器的波长可用范围。
[0009]2、如果材料的光吸收较大(通常不小于0.1％)，光诱导黑体吸收现象就会发生。通过元素掺杂使得基质材料的初始光吸收系数增大，光诱导黑体吸收现象越容易发生。利用该特征，我们可以针对激光波长来设计和制备光诱导黑体吸收材料。例如，现有激光器A，拟对α材料进行激光切割或激光损毁。但是，如果激光器A的波长与α材料的光吸收波长并不匹配，激光切割或激光损毁的效率就会很低甚至不能工作。在以往的工作中，人们需要使用很大功率的激光器才可以实现对材料的激光切割或激光损毁，对激光器功率的要求很高。只能在特定情况下满足要求，使得完成激光加工或激光损毁有很大的难度。
[0010]3、利用光诱导黑体吸收效应，可以彻底改变上述情况。通过设计与制备光诱导黑体吸收材料，增加激光切割或激光损毁的效能，扩大现有激光器的适用范围。具体方法如下：
[0011](1)、根据激光器A的波长选择合适的掺杂剂，所谓合适的掺杂剂即是对A激光有不小于0.1％光吸收的元素、化合物或混合物，而且光吸收越大越好。将掺杂剂利用物理或化学方法掺杂到α材料中，以增强α材料对激光A的吸收。用激光器A对α材料表面进行照射，使α材料的表面产生光致黑体吸收特性，此时α材料瞬间被光诱导变成具有宽带吸收特性的黑体吸收材料；与此同时，α材料对激光A的吸收迅速提高到90％～99％以上。当激光器A的功率达到或超过30W时，α材料的表面和内部将产生2800℃以上的高温，达到激光烧蚀、激光焊接、激光切割和激光损毁的目的。
[0012](2)、在上述方法中，需要对目标材料(α材料)进行掺杂，但在很多应用(如激光切割或激光损毁)中这种方法受到限制。然而，利用光诱导黑体吸收效应，我们可以设计、制备一种普适的光诱导黑体吸收材料。例如，将10mol％Yb
3+
离子掺杂在Y2O3粉末中，用980nm激光对其照射灼烧。当聚焦在Y2O3:10mol％Yb
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粉末上的980nm激光功率密度达到某一阈值(与掺杂浓度有关，如20W/mm2)后，Y2O3:10mol％Yb
3+
粉末进入黑体吸收状态，材料被激光烧蚀，Yb
3+
离子掺杂进入Y2O3晶格之中。这种制备好的材料对980nm激光很容易产生黑体吸收效应。将制备好的光诱导材料涂覆在α材料(任意材料)的表面，并用980nm激光作为诱导激光在材料的表面产生光诱导黑体吸收效应，从而提高α材料对激光A(大功率，任意波长)的
吸收率，进一步增强光诱导黑体吸收效应，在α材料的表面和内部产生2800℃以上的高温，达到激光切割和激光损毁的目的。该光诱导黑体吸收材料的优点是，按照上述思想设计本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光致黑体效应的强光学吸收诱导材料的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤一：根据所使用的激发光波长选择相应的掺杂剂，并根据所选取的掺杂剂对指定波长的激发光的吸收能力来调整掺杂剂的浓度；步骤二：利用物理或化学方法将掺杂剂掺杂到基质材料中，用于吸收指定波长的激发光，从而使得原始材料发生光诱导黑体吸收，并引起材料光学吸收能力的增加；步骤三：利用激发光照射掺杂后的材料。2.如权利要求1所述的一种基于光致黑体效应的强光学吸收诱导材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，选取原则如下：选取的掺杂剂对所使用的激发光具有不小于0.1％的光吸收。3.如权利要求1所述的一种基于光致黑体效应的强光学吸收诱导材料的制备方法，其特征在于，所述掺杂剂包括但不局限于稀土元素、过渡族元素、量子点、金纳米颗粒、多种掺杂剂混合掺杂；其中，所述稀土元素包括Yb
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、Er
3+
、Nd
3+
、Tb
3+
或Eu
3+
。4.如权利要求1所述的一种基于光致黑体效应的强光学吸收诱导材料的制备方法，其特征在于，步骤一中，掺杂剂的掺杂浓度控制在0.1mol％～80mol％。5.如权利要求1所述的一种基于光致黑体效应的强光学吸收诱导材料的制备方法，其特征在于，所述激发光波长与掺杂剂之间的匹配关系如表1所示：表1为激发光波长与掺杂剂之间的匹配关系表
。6.如权利要求1所述的一种基于光致黑体效应的强光学吸收诱导材料的制备方法，其特征在于，步骤二中，基质材料包括但不局限于氧化物、氟化物、MREF4或混合纳米结构；其中，M为Li、Na、K或Ba，RE为稀土元素。7.如权利要求1所述的一种基于光致黑体效应的强光学吸收诱导材料的制备方法，其特征在于，所述氧化物为Y2O3、La...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦伟平，崔皓，李大光，董妍惠，秦冠仕，贾志旭，赵丹，孟凡超，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：