CN105161967A

CN105161967A - 一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体及其制备方法

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Publication number: CN105161967A
Application number: CN201410229094.XA
Authority: CN
Inventors: 曾远康; 邓俊贤; 陶丽丽; 龙慧; 鲍智勇
Original assignee: Hong Kong Polytechnic University HKPU
Current assignee: Hong Kong Polytechnic University HKPU
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2015-12-16

Abstract

本发明涉及一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体及其制备方法，所述饱和吸收体包括具有内部中空腔体的盒状体、设置于所述盒状体上并相对设置的第一薄膜安放部和第二薄膜安放部，其中，所述中空腔体内部容纳有惰性气体，所述第一薄膜安放部和所述第二薄膜安放部使用透明材料制成，所述第一薄膜安放部和所述第二薄膜安放部与所述惰性气体接触的表面附着碳纳米材料薄膜。实施本发明，惰性气体保护了饱和吸收体结构，隔绝了碳纳米材料与空气的接触，从而有效防止碳纳米材料在激光作用下与氧气发生反应，进而提高饱和吸收体的光损伤阈值，可以得到更高输出功率的脉冲激光，饱和强度低、恢复时间短、响应波长范围宽。

Description

一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体及其制备方法

技术领域

本发明属于超短脉冲激光可饱和吸收体制备技术领域，更具体的说，涉及一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体及其制备方法。

背景技术

超短脉冲激光有着极为广泛的应用，如超快光开关、光纤通信、光纤传感、工业加工、激光制导、激光医疗等领域，目前产生超短脉冲激光常用方法是被动锁模，该方法系统结构简单，且能产生皮秒甚至飞秒级的超短脉冲激光。其基本机制是在光路中加入饱和吸收体，光源通过饱和吸收体之后，边翼部分的损耗大于中央部分，导致光脉冲变窄，从而产生超短脉冲激光。目前使用较广泛的饱和吸收体是半导体可饱和吸收镜(SESAM)，但SESAM不仅制作工艺复杂，而且必须基于昂贵的超净室制造系统，制造成本高，性能上还存在工作波长范围窄、恢复时间长、调制深度难以调控、光损伤阈值低等诸多问题。

现在一系列碳纳米材料如石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等已被广泛证实能够作为饱和吸收体，产生超短脉冲激光。碳纳米材料相比于SESAM成本大大降低，而且具有工作波长范围宽、恢复时间短等诸多优点。但是和SESAM同样存在损伤阈值低的问题，即在高功率激光辐射下，容易与空气中的氧气发生反应，烧毁饱和吸收体，从而限制了脉冲激光的输出功率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法，解决现有碳纳米材料在激光作用下与氧气发生反应，限制脉冲激光的输出功率等问题。

本发明解决上述技术问题的方案为：提供一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体，所述饱和吸收体包括具有内部中空腔体(20)的盒状体(10)、设置于所述盒状体(10)上并相对设置的第一薄膜安放部(31)和第二薄膜安放部(32)，其中，所述中空腔体(20)内部容纳有惰性气体，所述第一薄膜安放部(31)和所述第二薄膜安放部(32)使用透明材料制成，所述第一薄膜安放部(31)和所述第二薄膜安放部(32)与所述惰性气体接触的表面附着碳纳米材料薄膜(41、42)。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述饱和吸收体还包括与所述中空腔体(20)相连通的第一通气管(51)和第二通气管(52)，所述第一通气管(51)和第二通气管(52)的管壁与所述盒状体(10)的外壁密封连接，所述第一通气管(51)和第二通气管(52)分别与惰性气体源和惰性气体收集器相连通，惰性气体在所述盒状体(10)中流动。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述第一薄膜安放部(31)和第二薄膜安放部(32)与所述惰性气体接触的表面在附着碳纳米材料薄膜(41、42)前，用氧气等离子体做表面处理。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述碳纳米材料薄膜使用如下碳纳米材料中的一种制得：碳量子点、石墨烯量子点、碳纳米管、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述透明材料是如下材料中的一种：石英、玻璃、蓝宝石、碳化硅晶体、氮化镓晶体。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述惰性气体为氩气、氮气、氦气、氙气中的一种。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述碳纳米材料薄膜(41、42)附着在所述第一薄膜安放部(31)和所述第二薄膜安放部(32)与所述惰性气体接触的表面，使用如下方式中的一种：旋转涂覆法、浸渍提拉涂膜法、湿法转移法。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述旋转涂覆法包括如下步骤：

S101、将碳纳米材料超声分散于溶剂中，形成浓度为1mg/ml～10mg/ml的均匀悬浮液；

S102、使用旋转涂覆仪，在2000rpm～4000rpm转速下旋转涂覆成膜；

S103、烘干。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述浸渍提拉涂膜法包括如下步骤：

S201、将碳纳米材料超声分散于溶剂中，形成浓度为1mg/ml～10mg/ml的均匀悬浮液；

S202、使用浸渍提拉涂膜机，在温度为10～30℃、相对湿度为30％～60％下，用10nm/s～200nm/s的速度提拉成膜；

S203、烘干。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，步骤“将碳纳米材料超声分散于溶剂中”中，所述碳纳米材料为碳量子点、石墨烯量子点、碳纳米管、氧化石墨烯或者还原氧化石墨烯，用于超声分散所述碳纳米材料的溶剂为水、乙醇、甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、异丙醇、乙二醇、丙酮、苯、甲苯、氯仿、乙醚中的至少一种。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述“将碳纳米材料超声分散于溶剂中”步骤中，超声分散功率为200～800瓦，超声分散时间为0.5～5小时。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述“烘干”步骤中，烘干温度为60～150℃。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述湿法转移法包括如下步骤：

S301、将沉积有石墨烯的铜箔裁剪成小于所述第一薄膜安放部(31)或者所述第二薄膜安放部(32)的大小；

S302、在所述石墨烯上使用旋转涂覆法涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯，烘干；

S303、使用浓度为0.1mol/L～2mol/L的FeCl₃溶液中，腐蚀掉铜箔，得到石墨烯/PMMA薄膜；

S304、将所述石墨烯/PMMA薄膜使用去离子水漂洗至少一次；

S305、将漂洗后的石墨烯/PMMA薄膜迁移到所述第一薄膜安放部(31)和所述第二薄膜安放部(32)，烘干；

S306、溶解PMMA，漂洗，干燥。

本发明还提供一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

S1、处理基材：以片状的透明材料作为基材，对所述基材用氧气等离子体做表面处理，得到亲水性基材；

S2、薄膜制备：在所述亲水性基材的一表面附着碳纳米材料薄膜，得到覆膜基材；

S3、饱和吸收体制备：将两块所述覆膜基材相对设置于具有内部中空腔体的盒状体上，向所述中空腔体内充入惰性气体，碳纳米材料薄膜与所述惰性气体接触，得到所述饱和吸收体。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，所述步骤S3后还包括：

S4、连接通气管：在所述盒状体上开设第一通气孔和第二通气孔，所述第一通气孔与第一通气管相适配，所述第二通气孔与第二通气管相适配，所述第一通气管和第二通气管的管壁与所述盒状体的外壁密封连接，所述第一通气管和第二通气管分别与惰性气体源和惰性气体收集器相连通，惰性气体在所述盒状体中流动。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，所述碳纳米材料薄膜附着在所述第一薄膜安放部和所述第二薄膜安放部与所述惰性气体接触的表面，使用如下方式中的一种：旋转涂覆法、浸渍提拉涂膜法、湿法转移法。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，所述旋转涂覆法包括如下步骤：

S103、烘干。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，所述浸渍提拉涂膜法包括如下步骤：

S203、烘干。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，步骤“将碳纳米材料超声分散于溶剂中”中，所述碳纳米材料为碳量子点、石墨烯量子点、碳纳米管、氧化石墨烯或者还原氧化石墨烯，用于超声分散所述碳纳米材料的溶剂为水、乙醇、甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、异丙醇、乙二醇、丙酮、苯、甲苯、氯仿、乙醚中的至少一种。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，所述“将碳纳米材料超声分散于溶剂中”步骤中，超声分散功率为200～800瓦，超声分散时间为0.5～5小时。

21、根据权利要求17或18所述的碳纳米材料薄膜饱和吸收体，其特征在于，所述“烘干”步骤中，烘干温度为60～150℃。

在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，所述湿法转移法包括如下步骤：

S301、将沉积有石墨烯的铜箔裁剪成小于所述第一薄膜安放部或者所述第二薄膜安放部的大小；

S303、使用浓度为0.1mol/L～2mol/L的FeCl3溶液中，腐蚀掉铜箔，得到石墨烯/PMMA薄膜；

S304、将所述石墨烯/PMMA薄膜使用去离子水漂洗至少一次；

S305、将漂洗后的石墨烯/PMMA薄膜迁移到所述第一薄膜安放部和所述第二薄膜安放部，烘干；

S306、溶解PMMA，漂洗，干燥。

实施本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法，具有如下有益效果：

(1)采用惰性气体保护型饱和吸收体结构，隔绝了碳纳米材料与空气的接触，从而有效防止碳纳米材料在激光作用下与氧气发生反应，进而提高饱和吸收体的光损伤阈值，可以得到更高输出功率的脉冲激光。

(2)采用惰性气体流动保护的结构设计，不但有效阻隔了碳材料与氧气发生反应，同时带走激光辐射产生的热量，保证了饱和吸收体的性能稳定。

(3)采用石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等碳纳米材料作为饱和吸收材料，其响应波长范围宽，可用于产生不同波长的脉冲激光。

(4)碳纳米材料的饱和强度低、恢复时间短、可产生皮秒甚至飞秒级的超快激光。

附图说明

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。附图中：

图1是本发明第一较佳实施例的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的结构示意图；

图2是本发明第二较佳实施例的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的结构示意图；

图3是本发明碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法的较佳实施例的流程图；

图4是本发明碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法的另一较佳实施例的流程图；

图5是实施例1种饱和吸收体锁模产生的脉冲序列。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

目前使用较广泛的饱和吸收体是半导体可饱和吸收镜(SESAM)，但SESAM不仅制作工艺复杂、成本高，性能上还存在工作波长范围窄、恢复时间长、调制深度难以调控、光损伤阈值低等诸多问题。替代SESAM的可饱和吸收体材料如石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等在高功率激光辐射下，容易与空气中的氧气发生反应，烧毁饱和吸收体，从而限制了脉冲激光的输出功率。

本发明的主要创新点在于：提供一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体，使用惰性气体来保护碳纳米材料薄膜，有效防止碳纳米材料在激光作用下与氧气发生反应，进而提高饱和吸收体的光损伤阈值，可以得到更高输出功率的脉冲激光。

图1示出了本发明第一较佳实施例的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的结构，如图1所示，本实施例中的饱和吸收体包括盒状体10、第一薄膜安放部31、第二薄膜安放部32、碳纳米材料薄膜(包括41、42)，其中，该盒状体10具有内部中空腔体20，在该中空腔体20内部容纳有惰性气体，附着于第一薄膜安放部31、第二薄膜安放部32表面的碳纳米材料薄膜(包括41、42)与惰性气体接触，由于盒状体10整体密闭，因此碳纳米材料薄膜(包括41、42)受到惰性气体的隔绝而避免与空气接触，不会与氧气发生反应而烧毁。

在本实施例中，第一薄膜安放部31、第二薄膜安放部32使用透明材料制成，保证光路的正常通过，同时第一薄膜安放部31、第二薄膜安放部32相对设置于盒状体10上，相对设置以确保第一薄膜安放部31和第二薄膜安放部32位于同一光路上。第一薄膜安放部31的与中空腔体20相接触的表面上附着有第一碳纳米材料薄膜41，第二薄膜安放部32的与中空腔体20相接触的表面上附着有第二碳纳米材料薄膜42，即，碳纳米材料薄膜(包括41、42)必须附着于第一薄膜安放部31和第二薄膜安放部32的“内表面”，而不是与外界空气接触的外表面，才能使得碳纳米材料受到惰性气体的保护。

图2示出了本发明第二较佳实施例的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的结构，如图2所示，本实施例是在第一较佳实施例基础之上的改进，在本实施例中，饱和吸收体还包括第一通气管51和第二通气管52，该第一通气管51和第二通气管52与盒状体10的中空腔体20相连通，盒状体10的外壁上设置有第一通气孔61和第二通气孔62，第一通气管51与第一通气孔61相适配，第二通气管52与第二通气孔62相适配，同时第一通气管51和第二通气管52的管壁与盒状体10的外壁密封连接，以实现中空腔体20内部的惰性气体不会泄露。第一通气管51和第二通气管52分别与惰性气体源和惰性气体收集器相连通，从惰性气体源流出的惰性气体经过第一通气管51、中空腔体20、第二通气管52后，被惰性气体收集器回收，实现惰性气体在盒状体10中流动，不但有效阻隔了碳纳米材料与氧气发生反应，同时带走碳纳米材料薄膜(包括41、42)因为激光辐射产生的热量，保证了饱和吸收体的性能稳定。

优选的，本发明中盒状体10的形状可以为长方体、圆锥台、圆筒形、梯形台、三棱柱等，其所具有相对平行的两平面即可分别用于安装第一薄膜安放部31和第二薄膜安放部32。当然，由于第一薄膜安放部31和第二薄膜安放部32也不必须平行设置，所以，盒状体10也可以为其它形状，只需要确保具有两平面可以位于同一光路上。

优选的，制备碳纳米材料薄膜(包括41、42)的碳纳米材料包括：碳量子点、石墨烯量子点、碳纳米管、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯等。优选的，透明材料是如下材料中的一种：石英、玻璃、蓝宝石、碳化硅晶体、氮化镓晶体。优选的，保护碳纳米材料薄膜(包括41、42)的惰性气体包括氩气、氮气、氦气、氙气等。

优选的，本发明的第一薄膜安放部31和第二薄膜安放部32预先使用氧气等离子体做表面处理，改善其亲水性，该表面处理处理过程可以只处理薄膜安放部的一个表面，也可以对薄膜安放部进行整体处理，保证即将附着碳纳米材料薄膜的表面已经做过表面处理即可。优选的，表面处理时间为5分钟～60分钟，表面处理完成后，在进行了表面处理的薄膜安放部的至少一个表面上附着碳纳米材料薄膜，并确保在第一薄膜安放部31和第二薄膜安放部32设置于盒状体10上时，碳纳米材料薄膜在盒状体10的内部，即确保碳纳米材料薄膜与中空腔体20内的惰性气体相接触。

优选的，为了将碳纳米材料薄膜附着在所述第一薄膜安放部31和所述第二薄膜安放部32的进行了表面处理的至少一个表面上，可以使用如下方式中的一种：旋转涂覆法、浸渍提拉涂膜法、湿法转移法。

优选的，旋转涂覆法包括如下步骤：

S101、将碳纳米材料超声分散于溶剂中，形成浓度为1mg/ml～10mg/ml的均匀悬浮液。如前所述，碳纳米材料包括碳量子点、石墨烯量子点、碳纳米管、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯等。溶解碳纳米材料的溶剂为水、乙醇、甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、异丙醇、乙二醇、丙酮、苯、甲苯、氯仿、乙醚等中的至少一种。超声分散过程中，超声分散功率为200～800瓦，超声分散时间为0.5～5小时。

S102、用2000rpm～4000rpm转速旋转涂覆成膜。使用旋转涂覆机将上述碳纳米材料的悬浮液在第一薄膜安放部31和第二薄膜安放部32上旋转涂覆成膜。

S103、烘干。优选的，烘干温度为60～150℃。烘干第一薄膜安放部31和第二薄膜安放部32上即可以附着一层碳纳米材料薄膜。

优选的，浸渍提拉涂膜法包括如下步骤：

S201、将碳纳米材料超声分散于溶剂中，形成浓度为1mg/ml～10mg/ml的均匀悬浮液。与旋转涂覆法类似，碳纳米材料包括碳量子点、石墨烯量子点、碳纳米管、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯等。浸渍提拉涂膜法溶解碳纳米材料的溶剂为水、乙醇、甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、异丙醇、乙二醇、丙酮、苯、甲苯、氯仿、乙醚等中的至少一种。超声分散过程中，超声分散功率为200～800瓦，超声分散时间为0.5～5小时。

S202、在温度为10～30℃、相对湿度为30％～60％下，用10nm/s～200nm/s的速度提拉成膜。使用提拉涂膜机，将碳纳米材料的悬浮液在第一薄膜安放部31和第二薄膜安放部32上提拉涂膜成膜。

S203、烘干。优选的，烘干温度为60～150℃。烘干第一薄膜安放部31和第二薄膜安放部32上即可以附着一层碳纳米材料薄膜。

优选的，湿法转移法包括如下步骤：

S301、将沉积有石墨烯的铜箔裁剪成小于所述第一薄膜安放部31或者所述第二薄膜安放部32的大小。通过湿法转移法可以将铜箔上的碳纳米材料层完整转移至第一薄膜安放部31或者所述第二薄膜安放部32，因此铜箔的面积应该略小于第一薄膜安放部31或者所述第二薄膜安放部32，保证碳纳米材料薄膜不会超出第一薄膜安放部31或者所述第二薄膜安放部32的范围。优选的，铜箔上沉积的石墨烯层数为1～10层。

S302、在石墨烯上使用旋转涂覆法涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，烘干。使用旋转涂覆机在铜箔的碳纳米材料上涂覆一层(PMMA)，固定碳纳米材料，使其在脱离铜箔后保持完整。将PMMA溶解在氯仿、乙酸、乙酸乙酯、丙酮等有机溶剂中，即可用于旋转涂覆法涂覆。

S303、使用浓度为0.1mol/L～2mol/L的FeCl₃溶液中，腐蚀掉铜箔，得到石墨烯/PMMA薄膜。烘干后的PMMA具有较好的机械性能，可以使碳纳米材料薄膜吸附在PMMA表面并保持完整。原来的石墨烯在铜箔衬底上是沉在FeCl₃溶液底部，将铜箔腐蚀掉之后，石墨烯/PMMA薄膜就可以漂浮在液体表面，(当然单纯的石墨烯也能浮在液体表面，但是独立的石墨烯容易出现褶皱，影响石墨烯的结构和各种性能，而石墨烯附着在PMMA薄膜上，具有一定的刚性，不会出现褶皱和变形)。然后就可以依靠石墨烯/PMMA薄膜的自然吸附力，转移到需要的衬底上。

S304、将所述石墨烯/PMMA薄膜使用去离子水漂洗至少一次。漂洗过程去除残留在碳纳米材料薄膜上的FeCl₃溶液，以及FeCl₃与铜反应生成的氯化亚铁等其它物质。

S305、将漂洗后的石墨烯/PMMA薄膜迁移到所述第一薄膜安放部31和所述第二薄膜安放部32，烘干。由于第一薄膜安放部31或者所述第二薄膜安放部32已经使用氧气等离子体做表面处理，改善其亲水性，在将碳纳米材料薄膜的裸露的一面而非涂覆PMMA层的一面与第一薄膜安放部31或者所述第二薄膜安放部32接触时，碳纳米材料薄膜可以顺利附着其上，60～150℃烘干。上述“迁移”，就是把将基材浸入漂浮着的石墨烯/PMMA下方，慢慢捞上来，同时石墨烯/PMMA由于比表面积大，遇到基材，有较强的吸附力，容易自然吸附在衬底上。

S306、溶解PMMA，漂洗，干燥。使用氯仿、乙酸、乙酸乙酯、丙酮等有机溶剂浸泡附着有碳纳米材料薄膜的第一薄膜安放部31和所述第二薄膜安放部32，去除PMMA，然后使用无水乙醇、去离子水等冲洗掉有机溶剂，60～150℃烘干。

由于石墨烯本身是薄膜材料，需要采用湿法转移法，其中石墨烯的制备方法可以为：

将铜箔放置于石英管中央位置，将石英管密封后，抽真空，使得石英管内气压小于1×10^-4托，然后将石英管温度升至800～1200℃，再通入氢气10～60分钟，之后通入碳源气体(甲烷、乙烯和乙炔中的一种)，生长10～200分钟后，关闭碳源气体在氢气气氛下快速降温，即制得石墨烯。应当理解为上述方式只是石墨烯一种实施方式，其它制备方式也落入很发明权利要求的保护范围。

本发明还提供了一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法，图3示出了本发明碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法较佳实施例的流程图，如图3所示，所述制备方法包括如下步骤：

S1、处理基材：以片状的透明材料作为基材，对所述基材用氧气等离子体做表面处理，得到亲水性基材。基材的形状可以为正方形、长方形、圆形、三角形等，也可以为其它的不规则形状，厚度为0.5mm～2mm，例如，基材的为正方形时边长为10mm～50mm。透明材料选用如下材料中的一种：石英、玻璃、蓝宝石、碳化硅晶体、氮化镓晶体。预先使用氧气等离子体做表面处理，可以改善基材的亲水性，该表面处理处理过程可以只处理薄膜基材的一个表面，也可以对基材进行整体处理，保证即将附着碳纳米材料薄膜的表面已经做过表面处理即可。

S2、薄膜制备：在所述亲水性基材的一表面附着碳纳米材料薄膜，得到覆膜基材。表面处理后的基材亲水性得到改善，使得基材与碳纳米材料薄膜之间具有较大的表面吸附力，碳纳米材料薄膜附着于亲水性基材已经完成表面处理的表面上。

S3、饱和吸收体制备：将两块所述覆膜基材相对设置于具有内部中空腔体20的盒状体10上，向所述中空腔体20内充入惰性气体，碳纳米材料薄膜与所述惰性气体接触，得到所述饱和吸收体。该盒状体10可以使用上述基材一样的材料制成，也可以使用现有的其它材料，只要确保容纳在盒状体10内部中空腔体20中的惰性气体不会泄露即可。尤其应该注意的是，基材上只有以表面上附着有碳纳米材料薄膜，在设置覆膜基材时，附着有碳纳米材料薄膜的表面应该在盒状体10内侧，即，碳纳米材料薄膜与惰性气体接触，使碳纳米材料薄膜受到惰性气体的隔绝而避免与空气接触，不会与氧气发生反应而烧毁。同时相对设置于盒状体10上两块所述覆膜基材，确保第一薄膜安放部31和第二薄膜安放部32位于同一光路上。

优选的，在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，制备碳纳米材料薄膜的碳纳米材料包括：碳量子点、石墨烯量子点、碳纳米管、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯等。保护碳纳米材料薄膜的惰性气体包括氩气、氮气、氦气、氙气等。为了将碳纳米材料薄膜附着在所述第一薄膜安放部31和所述第二薄膜安放部32的进行了表面处理的至少一个表面上，可以使用如下方式中的一种：旋转涂覆法、浸渍提拉涂膜法、湿法转移法。这三种方法在前文已经详细介绍，在此不再赘述。

图4示出了本发明碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法另一较佳实施例的流程图，如图4所示，优选的，在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，上述步骤S3后还包括：

S4、连接通气管：在所述盒状体10上开设第一通气孔61和第二通气孔62，所述第一通气孔61与第一通气管51相适配，所述第二通气孔62与第二通气管52相适配，所述第一通气管51和第二通气管52的管壁与所述盒状体10的外壁密封连接，所述第一通气管51和第二通气管52分别与惰性气体源和惰性气体收集器相连通，惰性气体在所述盒状体10中流动。第一通气管51和第二通气管52的管壁与所述盒状体10的外壁密封连接，以实现中空腔体20内部的惰性气体不会泄露。从惰性气体源流出的惰性气体经过第一通气管51、中空腔体20、第二通气管52后，被惰性气体收集器回收，实现惰性气体在盒状体10中流动，不但有效阻隔了碳纳米材料与氧气发生反应，同时带走碳纳米材料薄膜因为激光辐射产生的热量，保证了饱和吸收体的性能稳定。

实施例1

将碳纳米管超声分散于乙醇当中，形成浓度为5mg/ml的悬浮液，准备20mm×20mm的石英片2片，5mm×20mm的石英片2片，中间开孔(直径3mm)的5mm×20mm的石英片2片，上述石英片厚度均为0.5mm，用丙酮超声清洗干净、并烘干。以20mm×20mm的石英片为基材，上述碳纳米管悬浮液为涂覆液，采用浸渍提拉涂抹法制备碳纳米管薄膜，提拉速度为90nm/s。然后将制备好的薄膜在80℃烘干。用密封胶将六片石英片以及橡胶气管粘制成如图2所示的长方体，中间开孔连接通气管，即制得惰性气体保护型饱和吸收体。

实施例2

将氧化石墨烯超声分散于乙醇当中，形成浓度为5mg/ml的悬浮液，准备20mm×20mm的石英片2片，5mm×20mm的石英片2片，中间开孔(直径3mm)的5mm×20mm的石英片2片，厚度均为0.5mm，用丙酮超声清洗干净、并烘干。以20mm×20mm的石英片为基材，上述氧化石墨烯悬浮液为涂覆液，采用旋转涂膜法制备碳纳米管薄膜，旋转速度为3000rpm。然后将制备好的薄膜在80℃烘干。用密封胶将六片石英片以及橡胶气管粘制成如图2所示的长方体，中间开孔连接通气管，即制得惰性气体保护型饱和吸收体。

实施例3

准备20mm×20mm的石英片2片，5mm×20mm的石英片2片，中间开孔(直径3mm)的5mm×20mm的石英片2片，厚度均为0.5mm，用丙酮超声清洗干净、并烘干。采用湿法转移法将所购的CVD法生长在铜箔上的石墨烯薄膜转移到20mm×20mm的石英片基材上。具体步骤为：剪出一块边长小于等于20mm的沉积有石墨烯的铜箔，在石墨烯表面旋转涂覆一层PMMA，烘干，形成固态PMMA薄膜，然后放在1mol/L的FeCl₃溶液中浸泡，腐蚀掉铜箔，用去离子水漂洗三次，然后将石墨烯/PMMA膜迁移到石英片衬底上，再将其浸泡在丙酮中去除PMMA，取出烘干，即制得石墨烯/石英薄膜。然后用密封胶将六片石英片以及橡胶气管粘制成如图2所示的长方体，中间开孔连接通气管，即制得惰性气体保护型饱和吸收体。

图5示出了上述实施例1饱和吸收体锁模产生的脉冲序列。实施例2和实施例3中饱和吸收体具有类似效果。

实施本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体或者本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法，采用惰性气体保护型饱和吸收体结构，隔绝了碳纳米材料与空气的接触，从而有效防止碳纳米材料在激光作用下与氧气发生反应，进而提高饱和吸收体的光损伤阈值，可以得到更高输出功率的脉冲激光，采用石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等碳纳米材料作为饱和吸收材料，其响应波长范围宽，可用于产生不同波长的脉冲激光，碳纳米材料的饱和强度低、恢复时间短、可产生皮秒甚至飞秒级的超快激光。更特别的是，采用惰性气体流动保护的结构设计，不但有效阻隔了碳材料与氧气发生反应，同时带走激光辐射产生的热量，保证了饱和吸收体的性能稳定。

Claims

1.一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体，其特征在于，所述饱和吸收体包括具有内部中空腔体(20)的盒状体(10)、设置于所述盒状体(10)上并相对设置的第一薄膜安放部(31)和第二薄膜安放部(32)，其中，所述中空腔体(20)内部容纳有惰性气体，所述第一薄膜安放部(31)和所述第二薄膜安放部(32)使用透明材料制成，所述第一薄膜安放部(31)和所述第二薄膜安放部(32)与所述惰性气体接触的表面附着碳纳米材料薄膜(41、42)。

2.根据权利要求1所述的碳纳米材料薄膜饱和吸收体，其特征在于，所述饱和吸收体还包括与所述中空腔体(20)相连通的第一通气管(51)和第二通气管(52)，所述第一通气管(51)和第二通气管(52)的管壁与所述盒状体(10)的外壁密封连接，所述第一通气管(51)和第二通气管(52)分别与惰性气体源和惰性气体收集器相连通，惰性气体在所述盒状体(10)中流动。

3.根据权利要求1所述的碳纳米材料薄膜饱和吸收体，其特征在于，所述第一薄膜安放部(31)和第二薄膜安放部(32)与所述惰性气体接触的表面在附着碳纳米材料薄膜(41、42)前，用氧气等离子体做表面处理。

4.根据权利要求1所述的碳纳米材料薄膜饱和吸收体，其特征在于，所述碳纳米材料薄膜使用如下碳纳米材料中的一种制得：碳量子点、石墨烯量子点、碳纳米管、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯。

5.根据权利要求1所述的碳纳米材料薄膜饱和吸收体，其特征在于，所述透明材料是如下材料中的一种：石英、玻璃、蓝宝石、碳化硅晶体、氮化镓晶体。

6.根据权利要求1所述的碳纳米材料薄膜饱和吸收体，其特征在于，所述惰性气体为氩气、氮气、氦气、氙气中的一种。

7.根据权利要求1所述的碳纳米材料薄膜饱和吸收体，其特征在于，所述碳纳米材料薄膜(41、42)附着在所述第一薄膜安放部(31)和所述第二薄膜安放部(32)与所述惰性气体接触的表面，使用如下方式中的一种：旋转涂覆法、浸渍提拉涂膜法、湿法转移法。

8.根据权利要求7所述的碳纳米材料薄膜饱和吸收体，其特征在于，所述旋转涂覆法包括如下步骤：

S103、烘干。

9.根据权利要求7所述的碳纳米材料薄膜饱和吸收体，其特征在于，所述浸渍提拉涂膜法包括如下步骤：

S203、烘干。

10.根据权利要求8或9所述的碳纳米材料薄膜饱和吸收体，其特征在于，步骤“将碳纳米材料超声分散于溶剂中”中，所述碳纳米材料为碳量子点、石墨烯量子点、碳纳米管、氧化石墨烯或者还原氧化石墨烯，用于超声分散所述碳纳米材料的溶剂为水、乙醇、甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、异丙醇、乙二醇、丙酮、苯、甲苯、氯仿、乙醚中的至少一种。

11.根据权利要求8或9所述的碳纳米材料薄膜饱和吸收体，其特征在于，所述“将碳纳米材料超声分散于溶剂中”步骤中，超声分散功率为200～800瓦，超声分散时间为0.5～5小时。

12.根据权利要求8或9所述的碳纳米材料薄膜饱和吸收体，其特征在于，所述“烘干”步骤中，烘干温度为60～150℃。

13.根据权利要求7所述的碳纳米材料薄膜饱和吸收体，其特征在于，所述湿法转移法包括如下步骤：

S304、将所述石墨烯/PMMA薄膜使用去离子水漂洗至少一次；

S306、溶解PMMA，漂洗，干燥。

14.一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

S3、饱和吸收体制备：将两块所述覆膜基材相对设置于具有内部中空腔体(20)的盒状体(10)上，向所述中空腔体(20)内充入惰性气体，碳纳米材料薄膜与所述惰性气体接触，得到所述饱和吸收体。

15.根据权利要求14所述的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法，其特征在于，所述步骤S3后还包括：

S4、连接通气管：在所述盒状体(10)上开设第一通气孔(61)和第二通气孔(62)，所述第一通气孔(61)与第一通气管(51)相适配，所述第二通气孔(62)与第二通气管(52)相适配，所述第一通气管(51)和第二通气管(52)的管壁与所述盒状体(10)的外壁密封连接，所述第一通气管(51)和第二通气管(52)分别与惰性气体源和惰性气体收集器相连通，惰性气体在所述盒状体(10)中流动。