CN106444211A - 一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件，由悬浮液和透明的玻璃容器组成，悬浮液由锑烯纳米材料分散到溶剂中制成，锑烯纳米材料为以共价键链接的锑原子组成的二维层状纳米材料，透明的玻璃容器为长方形密闭容器，其材料为石英。本发明将锑烯纳米材料用于制作光限幅和非线性光学器件，限幅性能优异、损伤阈值高、防护波段宽，其在可见光及近红外光区超宽波段(532～2000nm)纳秒脉冲激光下呈现出光限幅和非线性光学性质(非线性吸收、折射和散射)，损伤阈值大于40J.cm‑2，在光限幅激光和非线性光学领域有很大实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及非线性光学材料技术领域。更具体地，涉及一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件。
背景技术
半个世纪以来，由于激光和相关技术的发展，其在医药、科技和制造业中的应用越来越广泛。大能量、高功率、短脉冲激光器日益增多，激光威胁已成为不容忽视的问题，相应的激光防护受到人们的极大关注。非线性光限幅材料因具有高阻低通，防护波段宽，不受波长、角度、频率的限制等突出优势，保护人眼和精密光学器件不受激光的损害而成为研究热点。光限幅是指在材料损伤阈值以下，高能激光透过材料受到持续限幅作用而在低能辐射下保持高透过率。理想光限幅材料要求材料具有高线性透过率、短响应时间、高损伤阈值、低限幅阈值和宽波谱响应等特性，大量材料包括有机聚合物(酞菁、卟啉、共轭聚合物等)、碳纳米材料(富勒烯、炭黑、碳纳米管、洋葱碳和碳点等)、贵金属纳米粒子和量子点的非线性光学效应被深入地研究。
二维层状纳米材料的出现为光限幅和非线性光学领域的发展带来了新的机遇和活力，例如将石墨烯材料应用到非线性光学和光限幅领，但是石墨烯材料的本征透过率较低，限制了其在光限幅领域的应用；此外六方氮化硼纳米片也展现了在皮秒脉冲激光下的光限幅性能，但是其光限幅和非线性光学响应的波长范围窄；锑烯材料作为一种新型二维层状材料，其理论预测具有较高的载流子迁移率、厚度依赖性的带隙和平面各向异性，但是并未应用于非线性光学和光限幅领域。
因此，本发明提供了一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件，实现了在高浓度下高透过率并拓宽了光限幅和非线性光学响应的波长范围，其在可见光区及近红外光区(532～2000nm)激光下具有光限幅和非线性光学响应，在光限幅和非线性光学领域具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件，该器件的限幅性能优异、损伤阈值高、防护波段宽，具有多种非线性光学性能，在光限幅和非线性光学领域由很大实用价值。
本发明的第二个目的在于提供一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件的制备方法，该方法环境友好、工艺简单、易于制备。
为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件，由悬浮液和透明的玻璃容器组成，所述悬浮液由锑烯纳米材料分散到溶剂中制成；所述锑烯纳米材料为以共价键链接的锑原子组成的二维层状纳米材料；所述透明的玻璃容器为长方形密闭容器，其材料包括但不限于石英。
优选地，所述锑烯纳米材料的形貌为纳米片层、纳米卷曲带或纳米片。
优选地，所述锑烯纳米材料的长度为10～2500nm，厚度为0.4～40nm。
优选地，所述溶剂选自去离子水、无水乙醇或四氯化碳。采用的溶剂均比较常见、易得，且在近中远红外没有吸收，不干扰功能材料测试。
锑烯是一种由锑原子组成的单层或者几层纳米材料，其理论预测具有较高的载流子迁移率、厚度依赖性的带隙和平面各向异性，本发明将其用于光限幅和非线性光学器件，从而在532～2000nm纳秒脉冲激光下呈现出光限幅和非线性光学性质。
为达到上述第二个目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件的制备方法，包括如下步骤：
1)制备得到锑烯纳米材料；所述锑烯纳米材料依据发明专利《一种单晶少层锑烯的制备方法》(申请号：201510711198.9)或文献Mechanical Isolation of Highly StableAntimonene under Ambient Conditions，Adv.Mater.,2016,28,6332公开的，但不限于文献的方法制得；
2)取步骤1)中制备的锑烯纳米材料，将其分散到溶剂中，制备得到悬浮液；
3)取少量步骤2)中得到的悬浮液，在紫外可见近红外吸收光谱仪下，调节其不同波长下的透过率；
4)将步骤3)中得到的悬浮液加入到密闭的玻璃容器中，密封后即可制得光限幅和非线性光学器件。
优选地，步骤2)中所述锑烯纳米材料和溶剂的用量比为0.001-2g：10ml；
优选地，步骤2)中所述制备悬浮液的方法为机械搅拌、超声波或静置。
优选地，步骤3)中所述波长范围为532～2000nm。
优选地，步骤3)中所述悬浮液的透过率为60～90％。
优选地，步骤4)中所述悬浮液的加入量为玻璃容器体积的60～70％。
通过该方法制得的器件在可见光及近红外光区超宽波段纳秒激光下具有光限幅和非线性光学响应(非线性吸收、折射和散射)，具有很高的损伤阈值(>40J.cm-2)，在光限幅激光和非线性光学领域有很大实用价值。
本发明的有益效果如下：
本发明将锑烯纳米材料用于制作光限幅和非线性光学器件，限幅性能优异、损伤阈值高、防护波段宽，其在可见光及近红外光区超宽波段(532～2000nm)纳秒脉冲激光下呈现出光限幅和非线性光学性质(非线性吸收、折射和散射)，损伤阈值大于40J.cm-2，并具有优良光、热和力学稳定性，在光限幅激光和非线性光学领域有很大实用价值。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出实施例1中样品的扫描电子显微镜图片。
图2示出实施例1中器件的光限幅曲线。
图3示出实施例2中器件的非线性光学曲线，其中3A示出器件的非线性吸收测试曲线，3B示出器件的非线性折射测试曲线，3C示出器件的非线性散射测试曲线。
图4示出实施例3中器件的光限幅曲线。
图5示出对比例1中器件的光限幅曲线。
图6示出对比例2中器件的光限幅曲线。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
一种基于锑烯纳米材料悬浮液的光限幅和非线性光学器件的制备方法，包括以下步骤：
1)依据发明专利《一种单晶少层锑烯的制备方法》(申请号：201510711198.9)中公开的方法制备得到锑烯纳米材料，其扫描电子显微镜图片如图1所示。所制得的锑烯纳米材料微观形貌为纳米片，长度为2500nm，厚度为5nm；
2)取0.1g步骤1)中制备的锑烯纳米片，利用超声分散将其分散在10mL无水乙醇中，得到锑烯纳米片/乙醇悬浮液；
3)取少量步骤2)中得到的悬浮液，在紫外可见近红外吸收光谱仪下调节其在1064nm波长下的透过率为60％；
4)将步骤3)中得到的悬浮液注入到密闭的光程为10mm的石英比色皿中，制备得到基于锑烯纳米材料悬浮液的光限幅和非线性光学器件。
器件的测试按照文献Organic–Inorganic Hybrid Functional Carbon DotGelGlasses，Adv.Mater.,2012,24,1716公开的方法，将得到的光限幅和非线性光学器件放入1064nm纳秒脉冲激光下，测试获得光限幅曲线，如图2所示，在入射能量大于0.75J.cm-2后，曲线开始非线性上升，表明其具有光限幅响应。
实施例2
与实施例1相同，区别在于：
步骤1)中制备得到的锑烯纳米材料微观形貌为纳米片层，长度为1000nm，厚度为40nm；
步骤2)中采用的溶剂为去离子水，分散方法为机械搅拌；
步骤3)中波长为532nm，透过率为90％；
器件的测试方法按照文献Nonliear optical properities and surface-plasonenhanced optical limiting in Ag-Cu nanoclusters co-doped in SiO2Sol-Gelfilms,J.Appl.Phys.,2004,96,6717公开的方法，采用532nm纳秒脉冲激光，在不同的测试光路系统中分别获得三条非线性光学曲线，如图3所示。图3A呈现透过率与样品位置的关系曲线，随着样品位置向坐标轴原点移动，透过率先保持恒定，然后缓慢下降，最低点时样品位置在坐标轴原点，然后样品位置继续往坐标轴正向移动，透过率再缓慢上升，最后保持恒定的谷状曲线，表明其具有非线性吸收响应；图3B呈现透过率与样品位置的关系曲线，随着样品位置向坐标轴原点移动，透过率先保持恒定，然后缓慢下降至一最低点，然后样品位置继续往坐标轴正向移动并通过坐标轴原点，透过率再缓慢上升至一最高点，最后透过率再缓慢下降至保持恒定，其中透过率最低点和最高点的位置关于原点对称，表明其具有非线性折射响应；图3C呈现透过率与样品位置的关系曲线，随着样品位置向坐标轴原点移动，透过率先保持恒定，然后缓慢上升，最高点时样品位置在坐标轴原点，然后样品位置继续往坐标轴正向移动，透过率再缓慢下降，最后保持恒定的峰状曲线，表明其具有非线性散射响应。
实施例3
与实施例1相同，区别在于：
步骤1)中制备锑烯纳米材料方法为依据文献Mechanical Isolation of HighlyStable Antimonene under Ambient Conditions，Adv.Mater.,2016,28,6332公开的方法制备，得到的锑烯纳米材料微观形貌为卷曲带，长度为10nm，厚度为0.4nm；
步骤2)中采用的溶剂为四氯化碳，分散方法为机械搅拌；
步骤3)中波长为2000nm，透过率为80％；
器件的测试方法与实施例1相同，只是将测试的光源换为2000nm纳秒脉冲激光，得到光限幅曲线，如图4所示，在输入能量密度在0.5～1J.cm-2之间时，曲线非线性上升，表明其具有光限幅响应。
对比例1
与实施例1相同，区别在于：
悬浮液的组成为水，不加入任何的溶质，其透过率为100％。
器件的测试方法与实施例1相同，得到光限幅曲线，如图5所示。图中输出能量密度随着输入能量密度增加而线性增加，表明溶剂水没有光限幅响应，从而说明引起光限幅和非线性光学响应的是锑烯纳米材料。
对比例2
与实施例1相同，区别在于：
悬浮液中的悬浮物为根据文献Covalently functionalized reduced grapheneoxide by organically modified silica:a facile synthesis of electricallyconducting black coatings on glass，J.Mater.Chem.,2012,22,24690公开的方法制备氧化石墨烯。
器件的测试方法与实施例1相同，得到光限幅曲线如图6所示，在入射能量大于2J.cm-2以后，曲线才开始非线性上升，表明基于氧化石墨烯的器件虽然具有光限幅响应，但是不如基于锑烯悬浮液的器件光限幅响应更灵敏，从而说明锑烯纳米材料显著地提高了器件的性能。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件，由悬浮液和透明的玻璃容器组成，其特征在于：所述悬浮液由锑烯纳米材料分散到溶剂中制成；所述锑烯纳米材料为以共价键链接的锑原子组成的二维层状纳米材料；所述透明的玻璃容器为长方形密闭容器，其材料为石英。
2.根据权利要求1所述的一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件，其特征在于：所述锑烯纳米材料的形貌为纳米片层、纳米卷曲带或纳米片。
3.根据权利要求1所述的一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件，其特征在于：所述锑烯纳米材料的长度为10～2500nm，厚度为0.4～40nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件，其特征在于：所述溶剂选自去离子水、无水乙醇或四氯化碳。
5.如权利要求1-4所述的一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备得到锑烯纳米材料；
2)取步骤1)中制备的锑烯纳米材料，将其分散到溶剂中，制备得到悬浮液；
3)取少量步骤2)中得到的悬浮液，在紫外可见近红外吸收光谱仪下调节其在不同波长下的透过率；
4)将步骤3)中得到的悬浮液加入到密闭的玻璃容器中，密封后即可制得光限幅和非线性光学器件。
6.根据权利要求5所述的一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述锑烯纳米材料和溶剂的用量比为0.001-2g：10ml。
7.根据权利要求5所述的一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述制备悬浮液的方法为机械搅拌、超声波或静置。
8.根据权利要求5所述的一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述波长范围为532～2000nm。
9.根据权利要求5所述的一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述悬浮液的透过率为60～90％。
10.根据权利要求5所述的一种基于锑烯悬浮液的光限幅和非线性光学器件的制备方法，其特征在于：步骤4)中所述悬浮液的加入量为玻璃容器体积的60～70％。
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- 2016-09-29 CN CN201610865950.XA patent/CN106444211A/zh active Pending
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