雙層級(jí)聯(lián)光限幅器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種多層級(jí)聯(lián)的光限幅器，由單壁碳納米管的二甲基甲酰胺分散液和鋅酞菁的二甲基甲酰胺溶液承載其的雙層空腔透明容器組成。通過(guò)調(diào)節(jié)非線性介質(zhì)排列順序、濃度等可以實(shí)現(xiàn)光限幅曲線的調(diào)節(jié)。本發(fā)明可以應(yīng)用于激光防護(hù)領(lǐng)域，保護(hù)人體或者傳感器免受強(qiáng)光損害。
【專(zhuān)利說(shuō)明】雙層級(jí)聯(lián)光限幅器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光限幅器，特別是一種雙層級(jí)聯(lián)光限幅器【背景技術(shù)】
[0002]激光由于其高強(qiáng)度、相干性、準(zhǔn)直性等優(yōu)點(diǎn)在制造、醫(yī)藥、科技、安全領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。然而，激光也是一種危險(xiǎn)的光源，對(duì)敏感光學(xué)器件、人眼、皮膚等具有毀滅性的破壞作用，因此如何加強(qiáng)激光的使用安全成為目前人們關(guān)注的熱點(diǎn)。為了有效控制激光投射的能量密度，人們提出光限幅器(Optical limiter)的概念，具有高光能量密度下光學(xué)透過(guò)率低，低光能量密度下透過(guò)率高的特性。這種器件允許低于預(yù)設(shè)光強(qiáng)的光束通過(guò)，但當(dāng)光強(qiáng)高于預(yù)設(shè)時(shí)光限幅器件將阻擋光束的通過(guò)，從而避免其后的目標(biāo)物體受到過(guò)高能量激光的損害。光限幅器件可以用于光學(xué)傳感器的保護(hù)，激光實(shí)驗(yàn)室人眼的安全防護(hù)等，具有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]近年來(lái)，人們?yōu)榱酥谱髂軌驅(qū)嶋H應(yīng)用的光限幅器，在尋找非線性響應(yīng)強(qiáng)、響應(yīng)光譜寬的材料方面做出了大量的努力。目前用于光限幅器的非線性光學(xué)材料按非線性消光機(jī)理大致可分為非線性散射(NLS)和反飽和吸收(RSA)等幾類(lèi)。前者如碳納米管，石墨烯等，是目前非常具有代表性的非線性散射材料。相關(guān)文獻(xiàn)如發(fā)表在SCI期刊《Carbon》的《Carbonnanotubes for optical limiting》(2002 年第 10 期 40 卷，1789 - 1797 頁(yè))，其中提出了基于碳納米管分散液的光限幅裝置，并使用z掃描和泵浦-探測(cè)方法做詳細(xì)的性能表征；以及美國(guó)專(zhuān)利《BROADBAND OPTICAL LIMITER BASED ON NANO-GRAPHENE AND METHOD OFFABRICATING SAME》(編號(hào):US20110304934A1)中提到的基于單層、寡層石墨烯及納米金顆粒分散液的光限幅器。以上基于非線性散射的光限幅器具有較強(qiáng)的非線性響應(yīng)，能夠工作在紫外到紅外的寬廣波段；并且新型納米材料相比傳統(tǒng)的炭黑懸浮液不易團(tuán)聚，裝置的穩(wěn)定性有了較大的提高。然而，由于非線性散射的機(jī)理所限，這些單一機(jī)理的簡(jiǎn)單裝置只能對(duì)熱效應(yīng)顯著的激光(納秒或更長(zhǎng)的脈寬)有明顯響應(yīng)，而對(duì)超短脈沖(皮秒及以下)響應(yīng)很弱甚至無(wú)光限幅作用，實(shí)際應(yīng)用中受到限制。后者如發(fā)表在SCI雜志《Advanced Materials))的《Molecular Engineering of Peripherally And Axially Modified Phthalocyanines》(2003 年 3 月第 15 期，22-32 頁(yè))以及發(fā)表在《Synthetic Metals))的《Porphyrins andphthalocyanines as materials for optical limiting〉〉(2004 年第 3 期 141 卷，231-243頁(yè))，文中所研究的酞菁、葉啉及其金屬衍生物是典型的非線性吸收材料，有很大的非線性吸收系數(shù)和很快的響應(yīng)時(shí)間，能夠用于超短脈沖的激光防護(hù)。然而，非線性吸收材料依賴(lài)于分子的能級(jí)間躍遷，工作波長(zhǎng)一般較窄，如酞菁工作在在可見(jiàn)光波段(420nm?650nm)，不能單獨(dú)用來(lái)制造寬帶的光限幅器。
[0004]以上單一材料單一體系的共性還在于，光限幅的特性由材料本身的特性決定，這樣就大大的限制了調(diào)節(jié)的空間。而實(shí)際應(yīng)用中，目標(biāo)允許的光強(qiáng)照射是不確定的。
[0005]為了彌補(bǔ)單一材料單一機(jī)制的缺點(diǎn)，人們還研究了兩種不同非線性材料的共軛和非共輒混合。在《Advanced Materials))中《Enhanced Optical Limiting Effects inPorphyrin-Covalently Functionalized Single-ffalled Carbon Nanotubes〉〉(2008 年 20期，511 - 515 頁(yè))和〈〈Chemical Physic letters〉〉中〈〈Linear and nonlinear spectroscopicstudies of phthalocyanine-carbon nanotube blends》(2008 年 465 期，265-271 頁(yè))，口卜啉功能化的碳納米管溶液(共軛混合)和碳納米管酞菁混合液(非共軛混合)的非線性性質(zhì)分別做了表征。卟啉功能化的碳納米管由于電子在卟啉分子和碳納米管之間的轉(zhuǎn)移作用，表現(xiàn)出較好的非線性性質(zhì)。但這種方法制備復(fù)雜，需要精確的反應(yīng)條件，所用的材料種類(lèi)也受到限制。碳納米管酞菁混合液(非共軛混合)雖然能實(shí)現(xiàn)部分的光限幅曲線調(diào)節(jié)，然而非線性測(cè)試表明其光限幅性能不佳，不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于以上方法的缺點(diǎn)和不足，本發(fā)明提出一種雙層級(jí)聯(lián)光限幅器，該光限幅器能夠調(diào)節(jié)光限幅曲線，可實(shí)現(xiàn)寬工作波段，寬響應(yīng)時(shí)域。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0008]一種雙層級(jí)聯(lián)光限幅器，包括非線性介質(zhì)和承載該介質(zhì)的透明容器，其特點(diǎn)在于:所述的透明容器內(nèi)是相鄰排列的雙腔結(jié)構(gòu)；所述的雙腔內(nèi)分別裝有非線性散射材料和反轉(zhuǎn)飽和吸收材料。
[0009]所述的非線性散射材料是單壁碳納米管在二甲基甲酰胺中的分散液。
[0010]所述的反轉(zhuǎn)飽和吸收材料為2，9，16，23-四叔丁基-29H，3IH-酞菁鋅在二甲基甲酰胺中的溶液。
[0011]所述的非線性介質(zhì)的排列順序根據(jù)需要排列。
[0012]本發(fā)明與已有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0013]1、可以拓寬器件的工作范圍。如若同時(shí)含有單壁碳納米管有機(jī)分散液和鋅酞菁溶液，則器件對(duì)紫外到近紅外的寬波段，以及長(zhǎng)脈沖到超短脈沖(PS)的寬時(shí)域激光都具有光限幅作用
[0014]2、改變每層非線性介質(zhì)的種類(lèi)和材料濃度，可以實(shí)現(xiàn)光限幅曲線的調(diào)節(jié)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明雙層級(jí)聯(lián)光限幅器的結(jié)構(gòu)示意圖
[0016]圖2是實(shí)驗(yàn)測(cè)量的光限幅器的有效非線性吸收系數(shù)和光強(qiáng)的關(guān)系，所述的光限幅器為包含單壁碳納米管(SWNT)和鋅酞菁(ZnPc)的雙層光限幅器。
[0017]圖3是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的光限幅器的光限幅曲線，即光透過(guò)率與入射光強(qiáng)的關(guān)系，所述的光限幅器與圖2中相同，為包含單壁碳納米管(SWNT)和鋅酞菁(ZnPc)的雙層光限幅器。
[0018]圖4是實(shí)驗(yàn)測(cè)量的光限幅器的光限幅曲線，即光透過(guò)率與入射光強(qiáng)的關(guān)系，所述的光限幅器為包含不同濃度的單壁碳納米管分散液和鋅酞菁溶液的雙層光限幅器。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，但這些說(shuō)明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由權(quán)利要求書(shū)限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0020]先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明雙層級(jí)聯(lián)光限幅器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，非線性介質(zhì)I被裝載在透明玻璃容器2內(nèi)的腔中，腔的數(shù)目根據(jù)需要而定。
[0021]本實(shí)施例說(shuō)明，應(yīng)用碳納米管和鋅酞菁兩種材料可以組成雙層級(jí)聯(lián)光限幅器，通過(guò)改變濃度和每層介質(zhì)的種類(lèi)可以實(shí)現(xiàn)非線性響應(yīng)的調(diào)節(jié)。本實(shí)施例所得的光限幅器性能測(cè)定使用開(kāi)孔z掃描方法，實(shí)驗(yàn)用激光為532nm，6ns。該雙層級(jí)聯(lián)光限幅器的制備方法如下:
[0022](I)將碳納米管(SWNT)粉末加入到二甲基甲酰胺(簡(jiǎn)稱(chēng)為DMF)中，初始濃度為
0.05g/l。所得混合液用高能超聲棒超聲分散2min,然后放入超聲池中超聲4h,最后再用超聲棒超聲lmin。所得產(chǎn)物5500rpm離心90min,去除團(tuán)聚物得到穩(wěn)定不沉降的分散液,該分散液用DMF稀釋到不同濃度備用。鋅酞菁(2，9，16，23-四叔丁基_29H，31H-酞菁鋅)同樣的以不同濃度被溶解在DMF中。
[0023](2)制作如圖1所示的石英玻璃容器，腔的數(shù)目為兩個(gè)。將0.033mg/mL的單壁碳納米管(SWNT)分散液和0.lmg/mL鋅酞菁(ZnPc)溶液分別注入到石英玻璃容器的兩個(gè)腔中，得到包含兩種材料的光限幅器。根據(jù)光通過(guò)介質(zhì)的順序，可以分為兩種情況。若激光先通過(guò)SWNT分散液后通過(guò)ZnPc溶液，則記為SWNT-ZnPc，反之同理。非線性測(cè)試的結(jié)果如圖2和圖3所示，由圖可見(jiàn)，改變非線性介質(zhì)的排列順序能夠影響器件的非線性性能和光限幅曲線。
[0024](3)改變?nèi)芤旱臐舛却钆?，可得到不同性能的光限幅器。非線性測(cè)試的結(jié)果如圖4，可以看到濃度搭配和介質(zhì)排列順序能夠改變器件的光限幅曲線。
【權(quán)利要求】
1.一種雙層級(jí)聯(lián)光限幅器，包括非線性介質(zhì)和承載該介質(zhì)的透明容器，其特征在于:所述的透明容器內(nèi)是相鄰排列的雙腔結(jié)構(gòu)；所述的雙腔內(nèi)分別裝有單壁碳納米管在二甲基甲酰胺中的分散液和2，9，16，23-四叔丁基-29H，3IH-酞菁鋅在二甲基甲酰胺中的溶液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙層級(jí)聯(lián)光限幅器，其特征在于所述的非線性介質(zhì)的排列順序根據(jù)需要排列。
【文檔編號(hào)】G02F1/35GK103605247SQ201310496768
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月22日
【發(fā)明者】王康鵬, 王俊, 張龍, 程鑫 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所