具有二向色性的、摻雜納米金顆粒的玻璃及其製備方法
2023-09-12 18:51:05
專利名稱：具有二向色性的、摻雜納米金顆粒的玻璃及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種摻雜納米金顆粒的玻璃及其製備方法，特別是一種利用飛秒雷射 輻照產生二向色性的、摻雜納米金顆粒的功能化光學玻璃及其製備方法。應用於偏振腔、光 電二極體、放大器等光學器件。
背景技術：
利用摻雜貴重金屬元素的玻璃進行各種納米或者微觀結構的設計，對於合成先進 材料以及光學研究領域具有十分重要的指導意義。近年來，基於納米貴重金屬顆粒的表面 等離子體共振(SPR)、增強的三階非線性光學係數等特點，摻金、銀等玻璃材料在非線性材 料、光學元件、納米光電裝置等領域具有巨大的應用前景，使其受到人們越來越多的關注。 雷射技術的引入使得在玻璃內部控制貴重金屬顆粒的大小，形狀，密度以及三維空間分布 成為可能，尤其是對這種玻璃材料的線性和非線性光學性質進行了最大的優化。文獻Appl. Phys. B94,459-465 (2009)報導了通過飛秒雷射輻射使得玻璃內部的銀納米球狀顆粒轉變 成各向異性的橢球狀的銀納米顆粒。文獻J. Opt. A :Pure Appl. Opt. 11065001(2009)也報 道了通過飛秒雷射改變玻璃內部銀納米顆粒的形狀從而產生光學二向色性。到目前為止， 通過使用飛秒雷射提高金納米顆粒的形狀和排列，進一步產生二向色性的現象還沒有報導 過總之，通過利用飛秒雷射控制調節玻璃內部貴重金屬顆粒的大小、形狀、密度、以 及三維空間排列仍然是一個難題。另外，利用飛秒雷射輻照產生的二向色性，使其在偏振 腔、光譜分析儀器(色譜儀等)、光譜技術研究等領域具有巨大的應用潛力。
發明內容
本發明的目的是提出一種利用飛秒雷射輻照產生二向色性的、摻雜納米金顆粒的 功能化光學玻璃及其製備方法。本發明具有二向色性的、摻雜納米金顆粒的功能化光學玻璃的特徵如下通過在高溫下合成出摻雜金的無色透明玻璃，然後將其在500 600°C進行二次 熱處理，製備出紫紅色的、摻雜含有大小均一、粒徑為納米尺度的金顆粒玻璃。最後通過在 飛秒雷射輻照下，對於不同振動方向的偏正光具有不同吸收係數的功能化光學玻璃。本發明具有二向色性的、摻雜納米金顆粒的功能化光學玻璃的製備方法如下按組成計算量稱取各種組成材料，其成分摩爾百分比為Si02 Na20 :CaO MgO PbO Au203 = 40%-80% 5%-20% 5%-20% 0%~20% 0%~10% 0. 005% -0.5%。採用多次加熱法製備，即將上述原料充分磨混均勻，置入石英坩堝或鉬金坩堝中， 放入高溫熔爐中；在1450-1700°C下熔融1-5小時，使原料熔融成液態，並使熔料混合均勻。 熔料恆溫加熱1-5小時後，從高溫爐子中取出坩堝，並將坩堝中熔料快速倒入事先預熱的 模具上形成玻璃樣品，將玻璃樣品放入500-600°C的爐子中，緩慢降溫退火18-36小時，退 火後的玻璃經切割、拋光等處理，即可得到摻雜金的無色透明玻璃；然後再將摻雜金的玻璃在450-600°C進行二次熱處理5-24小時，即可得到析出納米金顆粒的紫紅色玻璃；最後通 過將飛秒雷射聚焦於玻璃內部某一點，利用軟體和工作平臺控制樣品移動進行輻照實驗。本發明具有二向色性的、摻雜納米金顆粒的功能化光學玻璃所使用飛秒雷射的參 數為飛秒雷射頻率V = 1千赫茲(kHZ)，脈衝波長入=400納米(nm)，聚焦物鏡的數 值孔徑NA = 0. 2-0. 8，脈衝周期X = 120-150飛秒(fs)，聚焦深度h = 50-700微米(u m), 掃描速度V = 5-500微米每秒(y m/s)，每個脈衝的能量E = 0. 3-50毫瓦特(mW)。本發明具有二向色性的、摻雜納米金顆粒的功能化光學玻璃為摻雜含有大小均 一、直徑為3 5m的納米金顆粒，對於不同振動方向的偏正光具有不同吸收係數的功能化 光學玻璃，在偏振腔、光譜分析儀器(色譜儀等)、光譜技術研究等領域具有巨大的應用潛 力。
圖1實例1中得到的具有二向色性的、摻雜納米金顆粒的玻璃的透射電鏡TEM照 片和不同方向偏振光的吸收光譜圖
具體實施例方式以下實施例是對本發明的進一步說明，而不是限制本發明的範圍。實施例1先製備摩爾百分比為20Na20 6Ca0 70Si02 4PbO 0. 01Au203的玻璃。採用石 英砂、純鹼、碳酸鈣、氧化鉛和氯金酸為主要原料，先分別稱取42. 0克石英砂、21. 2克純鹼、 6. 0克碳酸鈣、8. 93克氧化鉛以及0. 039g氯酸金，將上述原料充分磨混均勻，置入石英坩堝 或鉬金坩堝中，放入高溫熔爐中；在1500°C下熔融2小時，使原料熔融成液態，並使熔料混 合均勻。熔料恆溫加熱2小時後，從高溫爐子中取出坩堝，並將坩堝中熔料快速倒入事先 預熱的模具上形成玻璃樣品，將玻璃樣品放入500°C的爐子中，緩慢降溫退火24小時，退火 後的玻璃經切割、拋光等處理，即可得到摻雜金的無色透明玻璃；然後再將摻雜金的玻璃在 500°C拋光等處理，即可得到摻雜金的無色透明玻璃；然後再將摻雜金的玻璃在500°C進行 二次熱處理12小時，即可得到析出納米金顆粒的玻璃；最後通過將飛秒雷射聚焦於玻璃內 部某一點，利用軟體和工作平臺控制樣品移動進行輻照實驗。雷射參數分別為飛秒雷射頻 率v = 1千赫茲(kHZ)，脈衝波長入=400納米(nm)，聚焦物鏡的數值孔徑NA = 0. 6，脈衝 周期t = 120飛秒(fs)，聚焦深度h = 300微米(y m)，掃描速度V = 50微米每秒(y m/ s)，每個脈衝的能量E = 2. 5毫瓦特(mW)。圖1為實例1中具有二向色性的、摻雜納米金顆粒的玻璃在350-550nm和 550-750nm波長範圍內，相同輻射區域的對不同方向偏正光的吸收光譜圖。從圖中可以很明 顯觀察到，在350-550nm波長範圍內，樣品對於水平偏正光的吸收係數大於垂直偏正光的 吸收係數，而550-750nm波長範圍內，情況正好相反，樣品對於水平偏正光的吸收係數小於 垂直偏正光的吸收係數。
權利要求
具有二向色性的、摻雜納米金顆粒的玻璃其特徵在於通過將摻雜金的無色透明玻璃在500～600℃進行二次熱處理，製備出紫紅色的、摻雜含有大小均一、粒徑為納米尺度的金顆粒的玻璃。然後再利用飛秒雷射輻照，對於不同振動方向的偏正光具有不同吸收係數的功能化光學玻璃。
2.如權利要求1所述的具有二向色性的、摻雜納米金顆粒的玻璃的製備方法，其特徵 在於製備方法如下按組成計算量稱取各種組成材料，其成分摩爾百分比為Siq N^O CaO MgO PbO Au^ =40% -80% 5% -20% 5% -20% 0% -20% 0% -10% 0. 005% ■ 5%。採用多次加熱法 製備，即將上述原料充分磨混均勻，置入石英坩堝或鉬金坩堝中，放入高溫熔爐中；在1450-1700°C 下熔融1-5小時，使原料熔融成液態，並使熔料混合均勻。熔料恆溫加熱1-5小時後，從高溫爐 子中取出坩堝，並將坩堝中熔料快速倒入事先預熱的模具上形成玻璃樣品，將玻璃樣品放 入500-600°C的爐子中，緩慢降溫退火18-36小時，退火後的玻璃經切割、拋光等處理，即可 得到摻雜金的無色透明玻璃；然後再將摻雜金的玻璃在450-600°C進行二次熱處理5-24小 時，即可得到析出納米金顆粒的玻璃；最後通過將飛秒雷射聚焦於玻璃內部某一點，利用軟 件和工作平臺控制樣品移動進行輻照實驗。
3.根據權利要求2具有二向色性的、摻雜納米金顆粒的玻璃的製備方法，其特徵是所 使用飛秒雷射的參數為飛秒雷射頻率v = 1千赫茲(kHZ)，脈衝波長\ = 400納米(nm)，聚焦物鏡的數值孔 徑NA = 0. 2-0. 8，脈衝周期t = 120-150飛秒(fs)，聚焦深度h = 50-700微米(y m)，掃 描速度V = 5-500微米每秒(y m/s)，每個脈衝的能量E = 0. 3-50毫瓦特(mW)。
全文摘要
本發明公開了一種具有二向色性的、摻雜納米金顆粒的玻璃及其製備方法。通過在高溫下合成出摻雜金的無色透明玻璃，然後將其在500～600℃進行二次熱處理，製備出紫紅色的、摻雜含有大小均一、粒徑為納米尺度的金顆粒的玻璃，最後通過在飛秒雷射輻照作用後，對於不同振動方向的偏振光具有不同吸收係數的功能化光學玻璃。
文檔編號C03B29/00GK101798179SQ20101013809
公開日2010年8月11日 申請日期2010年4月2日 優先權日2010年4月2日
發明者曾惠丹, 楊一凡, 林振鈺, 範茬興, 陳國榮 申請人:華東理工大學