基于氧化石墨烯的超结构复合材料的脉冲激光烧蚀合成及光限幅增强机理研究

In this project, to make the optical limiting effect into practical applications, several types of graphene oxide based nanocomposites are introduced into the optical limiting systems for their strong scattering cross-section and absorption of incident optical energy at different resonant frequencies, aiming to lower the energy threshold and broaden the optical limiting range. Through extensive and systematic investigations, including simulation and fabrication of different nanostructures, it is expected that a novel optical limiter with nanostructured materials can be designed and the laser light intensity can be strongly attenuated by manipulating the working wavelengths to cater for the sensitive opto-electronic devices.

本项目将探索以氧化石墨烯材料为母体支架非线性光学材料，通过环境友好的脉冲激光烧蚀的方法在不同介质中来合成尺寸、形貌以及浓度可控并具有高纯度的非线性光学纳米颗粒，从而设计和制备基于氧化石墨烯的超结构光限幅复合材料，并通过掺入透明玻璃的纳米小球与宽带纳米复合材料的耦合效应来进一步加强这种新型光限幅器的性能。同时，由于氧化石墨烯材料的纳米颗粒表面具有丰富的、可修饰的化学性质而便于改变其表面等离子体共振效应，达到增强其光限幅性能的目的。项目实施将有助于完善高性能非线性光学材料的设计和制备的理论体系，为我国在非线性光材料的加工理论及机理研究方面达到国际先进水平提供有利的技术支撑。

本项目探索以氧化石墨烯等材料为母体支架，通过环境友好的脉冲激光烧蚀的方法在不同介质中来合成尺寸、形貌以及浓度可控并具有高纯度的非线性光学纳米颗粒，从而设计和制备基于氧化石墨烯的超结构复合材料，并通过研究借助透明微球体与纳米复合材料的耦合效应来进一步增强非线性光学效应。通过调整激光束的水平方向并将靶材料垂直放置在基底上，由于反冲压力的作用，不同尺寸的纳米颗粒可以在远离目标的不同距离收集，该设计为收集多种类型的功能性纳米粒子提供了一种多用途的方法，粒径大小可从30到5000nm。而且，采用激光烧蚀方法在去离子水中先后烧蚀金属钛片和银片，直接获得具有可调氧化还原性能的Ag/TiO2纳米复合材料，并通过后处理优化晶型结构。进一步通过添加表面活性剂（如DTAB、PVP等）作为溶液介质环境影响纳米颗粒的成型形貌，研究发现其对银等纳米颗粒有明显的影响，这项研究为探寻激光烧蚀和表面活性剂共同作用奠定了基础，并且能够获得更好分散性的TiO2纳米颗粒。另外，使用脉冲激光在表面活性剂溶液下合成了具有不同颗粒尺寸、形貌的银纳米颗粒负载部分被还原的氧化石墨烯复合材料。此外，通过结合水热法调控TiO2类海胆结构的晶体生长行为进一步调控形貌的多样性。在光学效应增强方面，通过同时引入浸没液体和填充液体，并改变折射率对比度的变化，可以灵活地调节中空微柱光子纳米射流(PNJ)的焦距、衰减长度、半最大值时的全宽度和最大光强等特性。通过构建由氧化石墨烯和粒子透镜组成的新型固体膜系统，以增强其饱和吸收和可调光学非线性，作为粒子透镜的二氧化硅微球可以通过聚焦效应重新分配光，并产生高强度聚焦光束，利用PNJ的局域场增强效应，将其与二氧化硅微球杂交后，通过改变二氧化硅微球的浓度来研究可调谐非线性。而且，还通过用两种RID材料自组装球帽研究了光学增强效应。另外，通过在微球表面进行环刻同心环、中心遮挡和表面涂覆的方法来调节微球所产生的光子纳米喷射来提升了微球的光学增强效应。