一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于超短脉冲激光可饱和吸收体制备技术领域，更具体的说，涉及一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体及其制备方法。
【背景技术】
[0002]超短脉冲激光有着极为广泛的应用，如超快光开关、光纤通信、光纤传感、工业加工、激光制导、激光医疗等领域，目前产生超短脉冲激光常用方法是被动锁模，该方法系统结构简单，且能产生皮秒甚至飞秒级的超短脉冲激光。其基本机制是在光路中加入饱和吸收体，光源通过饱和吸收体之后，边翼部分的损耗大于中央部分，导致光脉冲变窄，从而产生超短脉冲激光。目前使用较广泛的饱和吸收体是半导体可饱和吸收镜(SESAM)，但SESAM不仅制作工艺复杂，而且必须基于昂贵的超净室制造系统，制造成本高，性能上还存在工作波长范围窄、恢复时间长、调制深度难以调控、光损伤阈值低等诸多问题。
[0003]现在一系列碳纳米材料如石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等已被广泛证实能够作为饱和吸收体，产生超短脉冲激光。碳纳米材料相比于SESAM成本大大降低，而且具有工作波长范围宽、恢复时间短等诸多优点。但是和SESAM同样存在损伤阈值低的问题，即在高功率激光辐射下，容易与空气中的氧气发生反应，烧毁饱和吸收体，从而限制了脉冲激光的输出功率。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题在于，提供一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法，解决现有技术中高能激光对饱和吸收体某一处的长时间照射，碳纳米材料薄膜在激光作用下与氧气发生反应，限制脉冲激光的输出功率等问题。
[0005]本发明解决上述技术问题的方案为:提供一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体，所述饱和吸收体包括由透明材料制成的圆形基材、附着于所述圆形基材至少一个圆形表面上的碳纳米材料薄膜、驱动所述圆形基材沿其轴线方向旋转的驱动器。
[0006]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述圆形基材圆形表面上在附着所述碳纳米材料薄膜前，用氧气等离子体做表面处理。
[0007]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述碳纳米材料薄膜使用如下碳纳米材料中的一种制得:碳量子点、石墨烯量子点、碳纳米管、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨稀。
[0008]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述透明材料是如下材料中的一种:
石英、玻璃、蓝宝石、碳化硅晶体、氮化镓晶体。
[0009]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述碳纳米材料薄膜附着在所述圆形基材圆形表面上，使用如下方式中的一种:旋转涂覆法、浸溃提拉涂膜法、湿法转移法。
[0010]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述旋转涂覆法包括如下步骤:
[0011]S101、将碳纳米材料超声分散于溶剂中，形成浓度为0.lmg/ml?10mg/ml的均勻悬浮液；
[0012]S102、用旋转涂覆机100rpm?5000rpm转速旋转涂覆成膜；
[0013]S103、烘干。
[0014]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述浸溃提拉涂膜法包括如下步骤:
[0015]S201、将碳纳米材料超声分散于溶剂中，形成浓度为0.lmg/ml?10mg/ml的均勻悬浮液；
[0016]S202、在温度为5?40°C、相对湿度为30%?80%下，用提拉涂膜机10nm/s?500nm/s的速度提拉成膜；
[0017]S203、烘干。
[0018]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，步骤“将碳纳米材料超声分散于溶剂中”中，所述碳纳米材料为碳量子点、石墨烯量子点、碳纳米管、氧化石墨烯或者还原氧化石墨烯，用于超声分散所述碳纳米材料的溶剂为水、乙醇、甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、异丙醇、乙二醇、丙酮、苯、甲苯、氯仿、乙醚中的至少一种。
[0019]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述“将碳纳米材料超声分散于溶剂中”步骤中，超声分散功率为50?800瓦，超声分散时间为0.5?24小时。
[0020]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述“烘干”步骤中，烘干温度为50?200。。。
[0021]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体中，所述湿法转移法包括如下步骤:
[0022]S301、将沉积有石墨烯的铜箔裁剪成小于所述圆形表面的大小；
[0023]S302、在所述石墨烯上使用旋转涂覆法涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯，烘干；
[0024]S303、使用浓度为0.lmol/L?2mol/L的FeCl3溶液中，腐蚀掉铜箔，得到石墨烯/PMMA薄膜；
[0025]S304、将所述石墨烯/PMMA薄膜使用去离子水漂洗至少一次；
[0026]S305、将漂洗后的石墨烯/PMMA薄膜迁移到所述圆形表面上，烘干；
[0027]S306、溶解PMMA，漂洗，干燥。
[0028]本发明还提供一种碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法，所述制备方法包括如下步骤:
[0029]S1、处理基材:以圆形的透明材料作为基材，对所述基材用氧气等离子体做表面处理，得到亲水性基材；
[0030]S2、薄膜制备:在所述亲水性基材的至少一个圆形表面上附着碳纳米材料薄膜，得到覆膜基材；
[0031]S3、饱和吸收体制备:将所述覆膜基材与驱动所述覆膜基材沿其轴线方向旋转的连接，得到所述饱和吸收体。
[0032]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，所述步骤S2中，所述碳纳米材料薄膜附着在所述亲水性基材的至少一个圆形表面上，使用如下方式中的一种:旋转涂覆法、浸溃提拉涂膜法、湿法转移法。
[0033]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，所述旋转涂覆法包括如下步骤:
[0034]S101、将碳纳米材料超声分散于溶剂中，形成浓度为0.lmg/ml?10mg/ml的均勻悬浮液；
[0035]S102、用旋转涂覆机100rpm?5000rpm转速旋转涂覆成膜；
[0036]S103、烘干。
[0037]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，所述浸溃提拉涂膜法包括如下步骤:
[0038]S201、将碳纳米材料超声分散于溶剂中，形成浓度为0.lmg/ml?10mg/ml的均勻悬浮液；
[0039]S202、在温度为5?40°C、相对湿度为30%?80%下，用提拉涂膜机10nm/s?500nm/s的速度提拉成膜；
[0040]S203、烘干。
[0041]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，步骤“将碳纳米材料超声分散于溶剂中”中，所述碳纳米材料为碳量子点、石墨烯量子点、碳纳米管、氧化石墨烯或者还原氧化石墨烯，用于超声分散所述碳纳米材料的溶剂为水、乙醇、甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、异丙醇、乙二醇、丙酮、苯、甲苯、氯仿、乙醚中的至少一种。
[0042]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，所述“将碳纳米材料超声分散于溶剂中”步骤中，超声分散功率为50?800瓦，超声分散时间为0.5?24小时。
[0043]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，所述“烘干”步骤中，烘干温度为50?200°C。
[0044]在本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法中，所述湿法转移法包括如下步骤:
[0045]S301、将沉积有石墨烯的铜箔裁剪成小于所述圆形表面的大小；
[0046]S302、在所述石墨烯上使用旋转涂覆法涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯，烘干；
[0047]S303、使用浓度为0.lmol/L?2mol/L的FeCl3溶液中，腐蚀掉铜箔，得到石墨烯/PMMA薄膜；
[0048]S304、将所述石墨烯/PMMA薄膜使用去离子水漂洗至少一次；
[0049]S305、将漂洗后的石墨烯/PMMA薄膜迁移到所述圆形表面上，烘干；
[0050]S306、溶解PMMA，漂洗，干燥。
[0051]实施本发明的碳纳米材料薄膜饱和吸收体的制备方法，具有如下有益效果:
[0052](I)采用转动型饱和吸收体结构，使得高能激光与样品的相互作用不集中在某一点上，使得热量无法积聚，从而有效防止了碳材料的高温氧化反应，进而提高饱和吸收体的光损伤阈值，可以得到更高输出功率的脉冲激光。
[0053](2)采用石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等碳纳米材料作为饱和吸收材料，其响应波长范围宽，可用于产生不同波长的脉冲激光。
[0054](3)碳纳米材料的饱和强度低