CN106946475B - 一种飞秒激光直写具有宽光谱荧光特性的PbS量子点掺杂玻璃及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种飞秒激光直写具有宽光谱荧光特性的PbS量子点掺杂玻璃及其制备方法，所述量子点发光玻璃包括玻璃基体和其中通过飞秒激光聚焦辐照得到的光致发光部分。本发明制备的发光玻璃中掺杂有硫和铅，可以通过飞秒激光聚焦辐照，在激光辐照区域诱导析出硫化铅量子点，使该区域具有光致发光特性。该发光区域的发光强度较高，覆盖了860‑1700纳米这一较宽的近红外波段，在近红外宽光谱光源等方面具有应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种发光玻璃，具体涉及一种飞秒激光直写具有宽光谱荧光特性的PbS量子点掺杂玻璃及其制备方法。
背景技术
近年来发展的硫化铅、硒化铅量子点材料由于其量子限域效应、尺寸效应和表面效应等特点，展现出许多独特的光学特性，最显著的是其发光光谱可覆盖很宽的近红外波段，因此其在红外探测和近红外荧光应用方面备受关注。
目前所报道的研究量子点掺杂玻璃主要采用热处理法制备，即将制备好的玻璃基体在高于玻璃转变点的某一温度范围内保温一段时间。但是采用热处理法制备量子点掺杂玻璃所需温度较高，时间较长，能源消耗大。同时，采用热处理方法所制备的量子点掺杂玻璃，玻璃基质中量子点的粒径分布范围受热处理温度与时间的影响，一般情况下，量子点掺杂玻璃的荧光峰半高宽较窄，难以制备具有宽荧光光谱特性的量子点掺杂玻璃。此外，采用热处理法所制备的量子点掺杂玻璃中，量子点在玻璃基质中均匀分布，无法调控量子点在玻璃基质中的空间分布，难以通过此方法制备量子点掺杂玻璃的光功能器件。因此，开发一种新型的玻璃基质中量子点可控制备方法，实现玻璃基质中量子点空间分布调控，降低玻璃基质中量子点析晶对热处理温度与时间的依赖性，实现玻璃基质中局部空间内具有较大粒径分布的量子点制备，对于开发量子点掺杂玻璃光功能器件具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种飞秒激光直写具有宽光谱荧光特性的PbS量子点掺杂玻璃，该掺杂玻璃可以调控量子点的空间分布，同时在近红外波段的荧光光谱较宽。
本发明为解决上述技术问题提供的技术方案如下：
一种飞秒激光直写具有宽光谱荧光特性的PbS量子点掺杂玻璃，所述发光玻璃包括未受激光辐照的玻璃基体和其中飞秒激光直写的发光区域。
本发明还提供上述飞秒激光直写具有宽光谱荧光特性的PbS量子点掺杂玻璃的制备方法，包括如下步骤：
1)选取合适的玻璃；
2)将飞秒激光聚焦并辐照步骤1)所述的玻璃中，使用飞秒激光写入一个立体区域，得到飞秒激光辐照的光致发光区域；
3)将步骤2)所制的玻璃进行高温处理。
上述方案中，步骤1)所述的玻璃含有硫和铅，所述玻璃经过高温热处理在玻璃基质中析出硫化铅量子点。
上述方案中，步骤2)所述飞秒激光的辐照方式为：将飞秒激光聚焦到玻璃内部，通过改变聚焦激光与玻璃的相对位置实现对玻璃特定区域的辐照，使飞秒激光写入特定的发光区域。
上述方案中，步骤2)所述聚焦的激光在玻璃中的位置通过改变三维加工平台的位置来实现。
上述方案中，三维加工平台的加工速度为50至200微米每秒。
上述方案中，步骤2)所述飞秒激光的辐照参数为：飞秒激光单脉冲能量200-400纳焦，波长为520±20纳米，重复频率为100kHz—1MHz区间内的任一频率。
上述方案中，步骤3)所述的高温处理，其处理温度在玻璃的特征转变温度之下。
由于硫化铅量子点掺杂玻璃具有量子限域效应和尺寸效应，根据量子点尺寸大小及分布的不同，硫化铅量子点可以产生800至2400纳米波段的红外光。本发明通过飞秒激光辐照，PbS量子点即可在辐照区域内析出，随后通过300℃热处理30分钟，消除缺陷、激活辐照区域的发光特性。
本发明的有益效果在于：1、通过飞秒激光辐照，PbS量子点即可在辐照区域内析出；2、本发明制备的飞秒激光直写具有宽光谱荧光特性的PbS量子点掺杂玻璃，其发光区域能够精确控制(微米级)，可应用于光学元件中；3、本发明制备的飞秒激光直写具有宽光谱荧光特性的PbS量子点掺杂玻璃，其发光范围较宽(860至1700纳米)，发光强度高，可用于近红外光源；4、本发明制备的飞秒激光直写具有宽光谱荧光特性的PbS量子点掺杂玻璃，调节其发光峰所需的热处理温度较低，不会导致未辐照区域量子点析出。
附图说明
图1为本发明实施例1对应单脉冲能量为200nJ所制备的飞秒激光诱导宽带近红外发光玻璃其辐照区域的光学显微照片；
图2为本发明实施例1对应单脉冲能量为400nJ所制备的飞秒激光诱导宽带近红外发光玻璃其辐照区域的光学显微照片；
图3为本发明实施例1所制备的光致发光区域的荧光光谱图；
图4为本发明实施例2所制备的光致发光区域的荧光光谱图；
图5为本发明实施例3所制备的光致发光区域的荧光光谱图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
制备飞秒激光直写具有宽光谱荧光特性的PbS量子点掺杂玻璃，方法如下：
1)选取合适的玻璃，该玻璃含有硫和铅，经过高温热处理，可以在玻璃基质中析出硫化铅量子点。
2)制备飞秒激光直写的发光区域：将飞秒激光聚焦辐照步骤1)的玻璃，通过三维加工平台控制位移及加工速度，使飞秒激光聚焦辐照在玻璃内部写入发光区域，飞秒激光单脉冲能量200至400nJ，重复频率1MHz，加工速度为50微米每秒；随后将玻璃于300℃热处理30min，得到飞秒激光直写的发光区域。
经测试，本实施例所制备的飞秒激光诱导宽带近红外发光玻璃，其发光区域在800纳米激光激发下具有良好的发光性能，并且其发光覆盖了860至1700纳米的波段；而未经激光辐照的区域没有发光性能，说明其发光性能确实由飞秒激光诱导产生。
如图1、图2所示为本实施例所制备的发光区域光学显微照片。
图3所示为本实施例所制备的光致发光区域的荧光光谱图，激发光波长800纳米，荧光覆盖了860至1700纳米宽的波段，同时在此范围内，飞秒激光单脉冲能量的变化对其发光范围无明显影响。
实施例2
制备飞秒激光直写具有宽光谱荧光特性的PbS量子点掺杂玻璃，方法如下：
1)选取合适的玻璃，该玻璃含有硫和铅，经过高温热处理，可以在玻璃基质中析出硫化铅量子点。
2)制备飞秒激光直写的发光区域：将飞秒激光聚焦辐照步骤1)的玻璃，通过三维加工平台控制位移及加工速度，使飞秒激光聚焦辐照在玻璃内部写入发光区域，飞秒激光单脉冲能量200nJ，重复频率1MHz，加工速度为50微米每秒；随后将光致发光玻璃分别于420℃、430℃或440℃热处理10h(图中的300摄氏度，在这个温度下处理，不会导致量子点生长，但是可以消除飞秒激光在玻璃中产生的缺陷，从而激活量子点发光)，得到飞秒激光直写的发光区域。
经测试，本实施例所制备的飞秒激光诱导宽带近红外发光玻璃，其发光区域在800纳米激光激发下具有良好的发光性能，并且其发光覆盖了860至1700纳米的波段；而未经激光辐照的区域没有发光性能，说明其发光性能确实由飞秒激光诱导产生。
图4所示为本实施例所制备的光致发光区域的荧光光谱图，激发光波长800纳米。可见其发光覆盖了860至1700纳米宽的波段，并且随着热处理温度的升高，其发光峰有蓝移的趋势。同时由于未辐照区没有发光性能，说明相比于热处理法，利用飞秒激光辐照诱导发光的方法可以在更低的热处理温度下完成对发光峰的调控。
实施例3
制备飞秒激光直写具有宽光谱荧光特性的PbS量子点掺杂玻璃，方法如下：
1)选取合适的玻璃，该玻璃含有硫和铅，经过高温热处理，可以在玻璃基质中析出硫化铅量子点。
2)制备飞秒激光直写的发光区域：将飞秒激光聚焦辐照步骤1)的玻璃，通过三维加工平台控制位移及加工速度，使飞秒激光聚焦辐照在玻璃内部写入发光区域，飞秒激光单脉冲能量400nJ，重复频率1MHz，加工速度分别为50、200或400微米每秒；随后将光致发光玻璃于300℃热处理30min，得到飞秒激光直写的发光区域。
经测试，本实施例所制备的飞秒激光诱导宽带近红外发光玻璃，其发光区域在800纳米激光激发下具有良好的发光性能，并且其发光覆盖了860至1700纳米的波段；而未经激光辐照的区域没有发光性能，说明其发光性能确实由飞秒激光诱导产生。
图5所示为本实施例所制备的光致发光区域的激发光谱图，激发光波长800纳米，可见其发光覆盖了860至1700纳米宽的波段，同时在此范围内，加工速度的变化只会影响发光强度，对其发光范围无明显影响。
Claims (5)
1.飞秒激光直写具有宽光谱荧光特性的PbS量子点掺杂玻璃的制备方法，所述PbS量子点掺杂玻璃包括未受激光辐照的玻璃基体和其中飞秒激光直写的发光区域，其特征在于，包括以下步骤：
1）选取合适的玻璃；
2）将飞秒激光聚焦并辐照步骤1）所述的玻璃中，使用飞秒激光写入一个立体区域，得到飞秒激光辐照的光致发光区域，其中，所述飞秒激光的辐照参数为：飞秒激光单脉冲能量200-400纳焦，波长为520±20 纳米，重复频率为100kHz—1MHz区间内的任一频率；
3）将步骤2）所制的玻璃进行高温处理, 其处理温度在玻璃的特征转变温度之下。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于,步骤1）所述的玻璃含有硫和铅，所述玻璃经过高温热处理在玻璃基质中析出硫化铅量子点。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）所述飞秒激光的辐照方式为：将飞秒激光聚焦到玻璃内部，通过改变聚焦激光与玻璃的相对位置实现对玻璃特定区域的辐照，使飞秒激光写入特定的发光区域。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）聚焦的激光在玻璃中的位置通过改变三维加工平台的位置来实现。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，三维加工平台的加工速度为50至200微米每秒。
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