CN105973808B - 液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测装置，包括烧蚀激光器、分束装置、扩束装置、第一聚焦透镜、靶材、透明水槽、能量计、探测光激光器、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、光电探测器、示波器、照明激光器、衰减片、扩束装置、滤光片、CCD相机和脉冲延时触发器。本发明操作简单，用一个脉冲延时触发器控制所有仪器时序，实现光束偏转法和时间分辨阴影法的同步测量。本发明还公开了利用此探测装置的探测方法，创造性的综合了光束偏转法和时间分辨阴影法的优点，可以同步得到液相烧蚀过程序列图像又能得到具体细节波形数据，还创造性的利用光束偏转法测得的波形检测烧蚀烧蚀过程重复性，提高了时间分辨阴影法的准确度。

Description

液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测装置及方法。

背景技术

纳米材料和纳米结构的制备是纳米科学与技术研究的核心问题，因为新型纳米材料制备和纳米结构的组装往往带来奇异的纳米尺度效应,而正是这些奇异物性决定了它们在不同领域的潜在应用。所以，近二十年来涌现了很多制备或合成纳米材料的方法包括物理的、化学的和生物的等等。其中，液相激光烧蚀法制备纳米材料作为一种“绿色”、低成本以及方便操作的方法受到许多学者的关注。这种方法是将激光聚焦到水下的靶材上，产生一系列的物理化学反应来制备纳米材料。在制备过程中，激光参数、靶材及溶液性质和外部环境等都会对纳米材料的特性产生影响，而这些影响都是由于液相激光在不同参数条件下的烧蚀机理产生的。因此，对液相激光的具体烧蚀机理过程进行研究非常重要，包括纳米颗粒与激光的相互作用过程以及过程中产生的激光等离子体、冲击波和空泡脉动过程。

对于液相激光烧蚀过程中产生的激光等离子体、冲击波及空泡脉动现象的测试方法主要有阴影法、高速摄影法、压电换能器法（水听器）、光束偏转法、干涉法等。其中，阴影法可以定性的得到空泡的脉动特性，但无法定量得到具体的数据，并且对空泡的重复性要求高；高速摄影法原理简单易于操作，但摄影频率提高时，仪器造价昂贵；干涉法可以得到一些细节性信息，但对于干涉图像的处理和判读相对繁琐；光束偏转法结构简单，调节方便，具有较高的时间分辨率和空间精度，但无法将过程可视化。

因此，需要一种新的纳米颗粒机理过程探测装置及方法以解决上述问题。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明综合现有液相激光烧蚀过程探测方法的优缺点，提供一种即能得到液相激光烧蚀过程序列图像又能得到具体细节数据的同步探测方法。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测装置，x轴、y轴和z轴构成空间直角坐标系O-xyz，包括烧蚀激光器、分束装置、扩束装置、第一聚焦透镜、靶材、透明水槽、能量计、探测光激光器、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、光电探测器、示波器、照明激光器、衰减片、扩束装置、滤光片、CCD相机和脉冲延时触发器，

其中，所述烧蚀激光器、分束装置、扩束装置、第一聚焦透镜和靶材依次设置在所述x轴上，所述靶材设置在原点O处，所述能量计设置在所述分束镜的光束上；

所述探测光激光器、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜和光电探测器依次设置在所述y轴上，所述探测光激光器、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜和光电探测器均设置在一维平移台上，所述第二聚焦透镜和第三聚焦透镜分别设置在所述靶材的两侧；

所述照明激光器、衰减片、扩束装置、滤光片和CCD相机依次设置在所述z轴上，所述扩束装置和滤光片分别设置在所述靶材的两侧；

所述靶材设置在所述透明水槽内，所述x轴和y轴均与所述透明水槽的侧面垂直，所述z轴与所述透明水槽的底面垂直；

所述烧蚀激光器、示波器、照明激光器和CCD相机均连接所述脉冲延时触发器。

更进一步的，所述透明水槽的横截面为方形。便于光束以直线通过水槽，减少折射反射等。

更进一步的，根据所述靶材调整所述烧蚀激光器的能量；通过调整所述第一聚焦透镜在所述x轴上的位置调整所述烧蚀激光的能量密度；利用脉冲延时触发器控制所述烧蚀激光的产生时间。

更进一步的，所述CCD相机的曝光时间大于所述烧蚀激光的烧灼过程时间。将CCD相机曝光时间调为大于烧蚀过程时间几百μs，以便捕捉整个烧蚀过程。优选的，CCD相机的曝光时间为1ms。

更进一步的，所述探测光激光器为He-Ne激光器。He-Ne激光束稳定，为红色光源，指示性强，便于光路调节。

更进一步的，所述烧蚀激光器为Nd:YAG调Q脉冲激光器。高能量密度激光才能烧蚀靶材，产生纳米颗粒，Nd:YAG调Q脉冲激光器是很好的选择。

更进一步的，所述照明激光为纳秒脉冲激光器。纳秒量级照明脉冲才能拍清纳秒量级的烧蚀过程。

有益效果：本发明的液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测装置结构合理，操作简单，用一个脉冲延时触发器控制所有仪器时序，实现光束偏转法和时间分辨阴影法的同步测量。本发明直接使用光电探测器收集光信号，简化了传统的光束偏转法，传统的光束偏转法一般使用光纤作为探测元件，制作工艺要求高。本发明利用光束偏转法测得的波形检测烧蚀过程重复性，提高了时间分辨阴影法的准确度。

一种液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测方法，采用如上所述的液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测装置，所述液相激光烧蚀法制备纳米颗粒包括以下步骤：

1）、所述烧蚀激光器产生的烧蚀激光经所述分束装置分成两路；

2）、步骤1）得到的一路光束经所述扩束装置扩束后再经所述第一聚焦透镜聚焦到所述透明水槽中的所述靶材上，对所述靶材进行液相烧蚀，制备纳米颗粒；另一路光束被所述能量计接收，用来监控所述烧蚀激光器发出的光束能量；

液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测方法包括以下步骤：

步骤1：所述探测光激光器发出激光，经所述聚焦镜聚焦后，平行于所述靶材表面穿过所述透明水槽，然后经所述聚焦镜聚焦后进入所述光电探测器，最后通过所述示波器显示波形并记录；

步骤2：在所述烧蚀激光器未出光时调整所述探测光激光器的初始位置，利用一维平移台移动所述探测光激光器，使其发出的探测光束慢慢靠近靶材的激光烧蚀表面并靠近所述第一聚焦透镜，当电压幅值在最高点时，设为所述探测光束的初始位置；

步骤3：所述照明激光器产生的照明激光首先经过所述衰减片，然后经过扩束装置扩束后，通过烧蚀区域，之后经过所述滤光片，进入所述CCD相机；

步骤4：利用所述脉冲延时触发器控制所述烧蚀激光器的出光时间T1和所述照明激光的出光时间T2，利用所述CCD相机记录下烧蚀过程中不同时间点的图片；

步骤5：利用所述脉冲延时触发器同时给烧蚀激光器、CCD相机和示波器触发信号，设置所述烧蚀激光器的出光时间T1和所述照明激光的出光时间T2的时间间隔为0，即T2-T1=0，则激光烧蚀所述靶材时，所述示波器同时纪录下波形信号，所述CCD相机也同时纪录下第一幅烧蚀图像；

步骤6：设置不同的时间间隔，其中，T2-T1>0，所述CCD相机纪录下不同时间间隔下的烧蚀图像；

步骤7：利用步骤5和步骤6的烧蚀图像组成液相激光烧蚀序列图像，从而完成液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测。

更进一步的，步骤7中利用步骤5和步骤6的烧蚀图像组成液相激光烧蚀序列图像：重复步骤5和步骤6，当前后两次探测过程中所述示波器的波形信号一致时，则保存烧蚀图像，组成液相激光烧蚀序列图像，完成液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测；当前后两次探测过程中所述示波器的波形信号不一致时，则不保存烧蚀图像，再次进行探测。时间分辨阴影法的准确性对实验参数的可重复性要求高，本发明创造性的利用光束偏转法测出的曲线数据的一致性，来判断时间分辨阴影法记录的CCD相机的序列图像中，每幅图实验参数重复性的好坏。重复性好的结果保留，重复性差的去除。

有益效果：本发明的液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测方法创造性的综合了光束偏转法和时间分辨阴影法的优点，可以同步得到液相烧蚀过程序列图像又能得到具体细节波形数据。本发明操作简单，用一个脉冲延时触发器控制所有仪器时序，实现光束偏转法和时间分辨阴影法的同步测量，简单方便，即得到具体数据又得到图像。利用光束偏转法测得的波形检测烧蚀过程重复性，提高了时间分辨阴影法的准确度。

附图说明

图1 为本发明的探测装置的结构示意图。图中，1-18分别为：1烧蚀激光器，2分束装置，3扩束装置，4聚焦透镜，5靶材，6方形石英水槽，7能量计，8探测光激光器，9聚焦透镜，10聚焦透镜，11光电探测器，12示波器，13照明激光器，14衰减片，15扩束装置，16滤光片，17CCD相机，18脉冲延时触发器。

图2 为本发明装置中时间间隔触发装置的控制时序图；包括示波器、CCD、烧蚀激光和照明激光的时序。

图3为本发明测试实例中光束偏转法测得的信号图，并列出了几个不同烧蚀激光能量下测试信号图；

图4为本发明测试实例中得到的液相激光烧蚀过程序列图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

实施例1：

请参阅图1所示，根据探测装置的结构示意图搭建探测装置。其中，烧蚀激光器1采用Nd:YAG调Q脉冲激光器，脉宽7ns，分束装置2采用80%:20%分束比，其中，分束装置2为分束镜，扩束装置3采用3倍扩束，第一聚焦透镜4焦距为8cm，靶材5为高纯锌靶，探测光激光器8为He-Ne激光器，632.8nm，第二聚焦透镜9焦距10cm，第三聚焦透镜10焦距5cm，照明激光器13采用532nm，1.2ns脉冲激光，扩束装置15采用5倍扩束。

具体探测步骤如下：

步骤1：Nd:YAG调Q脉冲激光器聚焦到锌靶上产生激光等离子体、冲击波和空泡脉动，制备ZnO\Zn纳米颗粒。具体包括如下步骤：

步骤1.1：Nd:YAG调Q脉冲激光经80%:20%分束镜分成两路。

步骤1.2：80%一路光束经3倍扩束装置扩束后再经第一聚焦透镜4聚焦到水槽中的锌靶5上，对靶材进行液相烧蚀，ZnO\Zn纳米颗粒。

步骤1.3：另一路20%光束被能量计7接收，用来监控Nd:YAG调Q脉冲激光发出的光束能量。

步骤1.4：选择烧蚀激光参数。本实例采用锌靶，烧蚀激光能量区间采用60mJ-200mJ。

步骤1.5：调整第一聚焦透镜4沿x轴的位置，可以调整聚焦光斑的尺寸，从而调整烧蚀激光的能量密度，本实例聚焦后的光斑半径为1mm。

步骤1.6：用脉冲延时触发器18控制Nd:YAG调Q脉冲激光出光时间。这里需要用脉冲延时触发器的两个控制口分别接调Q激光器的CLKIN和QIN，这个两个控制口的间隔时间按照激光器的说明书设置，本实例采用的激光器两者间隔为248ns。

步骤2：光束偏转探测液相激光烧蚀靶材过程中产生的激光等离子体、冲击波和空泡脉动参数。具体包括如下步骤：

步骤2.1：He-Ne激光器发出激光，经第二聚焦透镜9聚焦后，平行于靶材5表面穿过水槽，然后经第三聚焦透镜10聚焦进入光电探测器11，最后接上示波器12通道2，通道2显示的波形即携带了液相激光烧蚀靶材过程信息。

步骤2.2：在烧蚀激光未出光时调整探测光束的初始位置。利用一维平移台移动探测光束，使其慢慢靠近靶材5的激光烧蚀表面并远离第一聚焦透镜4，同时观察示波器上电压幅值的变化，移动到电压幅值刚要下降的点，即光束贴着靶材表面传播，设为光束的初始位置；优选的，使其发出的探测光束慢慢靠近靶材5的激光烧蚀表面并靠近第一聚焦透镜4，同时观察示波器上电压幅值的变化，当电压幅值在最高点时，设为所述探测光束的初始位置，利用此方法移动的距离较小，且方便控制。

步骤2.3：示波器12上的通道1与脉冲延时触发器18的一个控制口相连，并将通道1设置为示波器触发通道。

步骤2.4：由于激光烧蚀靶材过程中产生的激光等离子体、冲击波和空泡会改变激光烧蚀区域的局部折射率，所以探测激光器8经过该区域时会发生偏转，从而改变光电探测器11接收到的光信号，最终导致示波器12上显示的波形变化。该波形中含有激光等离子体、冲击波和空泡脉动等信息数据。如图3所示，图中给出了4个烧蚀激光能量密度下的波形结果图，图中实线箭头标注的是等离子体冲击波，虚线箭头标注的是空泡第一次脉动周期。

步骤2.5：示波器12与电脑用USB数据线相连，将示波器上采集的数据存入电脑。

步骤3：激光烧蚀靶材过程序列图像记录。具体包括如下步骤：

步骤3.1：照明激光13为532nm脉冲激光，脉冲宽度为1.2ns。旋转衰减片14，使拍出的图像明暗适当。

步骤3.2：照明激光13经过扩束装置15扩束5倍后，通过烧蚀区域，之后经过滤光片16，进入CCD相机17。调整光路位置，保证烧蚀面的靶材在CCD相机17视场中，并且烧蚀激光在靶材上的聚焦位置在视场中。

步骤3.3：CCD相机17和照明激光13的外部触发口都连接到脉冲延时触发器18上。

步骤3.4：通过脉冲延时触发器18控制烧蚀激光器1的出光时间和照明激光13的出光时间延迟，CCD相机17可以记录下烧蚀过程中不同时间点的图片。如图4所示，首先看到的是溶液中的纳米颗粒与激光的相互作用，接着是等离子体冲击波，然后是空泡的脉动和空泡溃灭冲击波。

步骤4：液相激光烧蚀过程序列图像记录与光信号探测同步控制，控制时序如图2所示。具体包括如下步骤：

步骤4.1：CCD曝光时间设置为1ms。

步骤4.2：同时给烧蚀激光器1、CCD相机17、以及示波器12触发信号。设置时间间隔为0（T2-T1=0），激光烧蚀靶材时，示波器会立刻纪录下波形信号，CCD也立刻纪录下第一幅烧蚀图像，即图4中的第一幅图(0ns)。

步骤4.3：设置不同的时间间隔(T2-T1>0)，CCD可以纪录下不同时间间隔下的图像，组成液相激光烧蚀序列图像。设置的时间间隔标注在图4中每幅图的下面。

步骤4.3：CCD与电脑用数据线相连，将CCD拍摄的图像存入电脑。在保存图像的同时，观察示波器上波形与上一激光脉冲烧蚀结果的一致性，一致性好的说明实验参数的重复性好，CCD拍摄的图像保存，否则不保存，进行再次实验。图3也说明了，若实验参数改变(例如激光器能量)示波器得到的探测信号差距明显，因此可以用示波器上的波形来监测实验参数的稳定性和可重复性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测装置，其特征在于，x轴、y轴和z轴构成空间直角坐标系O-xyz，包括烧蚀激光器（1）、分束装置（2）、扩束装置（3）、第一聚焦透镜（4）、靶材（5）、透明水槽（6）、能量计（7）、探测光激光器（8）、第二聚焦透镜（9）、第三聚焦透镜（10）、光电探测器（11）、示波器（12）、照明激光器（13）、衰减片（14）、扩束装置（15）、滤光片（16）、CCD相机（17）和脉冲延时触发器（18），

其中，所述烧蚀激光器（1）、分束装置（2）、扩束装置（3）、第一聚焦透镜（4）和靶材（5）依次设置在所述x轴上，所述靶材（5）设置在原点O处，所述能量计（7）设置在所述分束镜（2）的光束上；

所述探测光激光器（8）、第二聚焦透镜（9）、第三聚焦透镜（10）和光电探测器（11）依次设置在所述y轴上，所述探测光激光器（8）、第二聚焦透镜（9）、第三聚焦透镜（10）和光电探测器（11）均设置在一维平移台上，所述第二聚焦透镜（9）和第三聚焦透镜（10）分别设置在所述靶材（5）的两侧；

所述照明激光器（13）、衰减片（14）、扩束装置（15）、滤光片（16）和CCD相机（17）依次设置在所述z轴上，所述扩束装置（15）和滤光片（16）分别设置在所述靶材（5）的两侧；

所述靶材（5）设置在所述透明水槽（6）内，所述x轴和y轴均与所述透明水槽（6）的侧面垂直，所述z轴与所述透明水槽（6）的底面垂直；

所述烧蚀激光器（1）、示波器（12）、照明激光器（13）和CCD相机（17）均连接所述脉冲延时触发器（18）。

2.根据权利要求1所述的液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测装置，其特征在于，所述透明水槽（6）的横截面为方形。

3.根据权利要求1所述的液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测装置，其特征在于，根据所述靶材（5）调整所述烧蚀激光器（1）的能量；通过调整所述第一聚焦透镜（4）在所述x轴上的位置调整所述烧蚀激光的能量密度；利用脉冲延时触发器（18）控制所述烧蚀激光的产生时间。

4.根据权利要求1所述的液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测装置，其特征在于，所述CCD相机的曝光时间大于所述烧蚀激光的烧灼过程时间。

5.如权利要求1所述的液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测装置，其特征在于，所述探测光激光器（8）为He-Ne激光器。

6.如权利要求1所述的液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测装置，其特征在于，所述烧蚀激光器（1）为Nd:YAG调Q脉冲激光器。

7.如权利要求1所述的液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测装置，其特征在于，所述照明激光器（13）为纳秒脉冲激光器。

8.一种液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测装置，所述液相激光烧蚀法制备纳米颗粒包括以下步骤：

1）、所述烧蚀激光器（1）产生的烧蚀激光经所述分束装置（2）分成两路；

2）、步骤1）得到的一路光束经所述扩束装置（3）扩束后再经所述第一聚焦透镜（4）聚焦到所述透明水槽（6）中的所述靶材（5）上，对所述靶材（5）进行液相烧蚀，制备纳米颗粒；另一路光束被所述能量计（7）接收，用来监控所述烧蚀激光器（1）发出的光束能量；

液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测方法包括以下步骤：

步骤1：所述探测光激光器（8）发出激光，经所述聚焦镜（9）聚焦后，平行于所述靶材（5）表面穿过所述透明水槽（6），然后经所述聚焦镜（10）聚焦后进入所述光电探测器（11），最后通过所述示波器（12）显示波形并记录；

步骤2：在所述烧蚀激光器（1）未出光时调整所述探测光激光器（8）的初始位置，利用一维平移台移动所述探测光激光器（8），使其发出的探测光束慢慢靠近靶材（5）的激光烧蚀表面和所述第一聚焦透镜（4），当电压幅值至最高点时，设为所述探测光束的初始位置；

步骤3：所述照明激光器（13）产生的照明激光首先经过所述衰减片（14），然后经过扩束装置（15）扩束后，通过烧蚀区域，之后经过所述滤光片（16），进入所述CCD相机（17）；

步骤4：利用所述脉冲延时触发器（18）控制所述烧蚀激光器（1）的出光时间T1和所述照明激光器（13）的出光时间T2，利用所述CCD相机（17）记录下烧蚀过程中不同时间点的图片；

步骤5：利用所述脉冲延时触发器（18）同时给烧蚀激光器（1）、CCD相机（17）和示波器（12）触发信号，设置所述烧蚀激光器（1）的出光时间T1和所述照明激光器（13）的出光时间T2的时间间隔为0，即T2-T1=0，则激光烧蚀所述靶材（5）时，所述示波器（12）同时纪录下波形信号，所述CCD相机（17）也同时纪录下第一幅烧蚀图像；

步骤6：设置不同的时间间隔，其中，T2-T1>0，所述CCD相机（17）纪录下不同时间间隔下的烧蚀图像；

步骤7：利用步骤5和步骤6的烧蚀图像组成液相激光烧蚀序列图像，从而完成液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测。

9.如权利要求8所述的液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测方法，其特征在于，步骤7中利用步骤5和步骤6的烧蚀图像组成液相激光烧蚀序列图像：重复步骤5和步骤6，当前后两次探测过程中所述示波器（12）的波形信号一致时，则保存烧蚀图像，组成液相激光烧蚀序列图像，完成液相激光烧蚀法制备纳米颗粒机理过程探测；当前后两次探测过程中所述示波器（12）的波形信号不一致时，则不保存烧蚀图像，再次进行探测。