金纳米棒-有机硅杂化薄膜材料的制备及其光限幅性能研究

Optical limiting materials toward laser protection showed significant importance and became an interesting topic in laser research field, in which nanomaterials have attracted much attention as a new kind of optical limiting materials. For instance, the optical limiting behavior of Au/Ag nanoparticles is demonstrated to be related with their surface plasmon resonance (SPR) characters. Thus, gold nanorods which have a special SPR chracters of tunable lognitudinal SPR absorbance in a wide range, can be considered as a favorite candidate for optical limiting material against tunable laser weapon. Based on this topic, herein the surface plasmon resonance and optical limiting of gold nanorods with varied aspect ratio will be studied,then the gold-nanorod hybridizated silicone elastmer films will be prepared to find the optical nonlinearilies and optical limiting properties. The surface modification of gold nanorods is needed to provide a good dispersion in polydimethylsiloxane prepolymers for a uniform hybrid material. The damage of inorganic/organic phase interface due to the photothermal effect of gold nanorods on laser irradiation will be discibed to evaluate the photothermal stability of the hybrid material. This project will provide basic data for novel, especially, wide-range solid optical limiting device.

近年来，新型光限幅材料如金、银等金属纳米粒子成为激光防护领域的一个研究热点。由于金属纳米材料的光限幅行为与其表面等离子体共振有关，而金纳米棒的特殊表面等离子体共振特性使其长轴的共振吸收具有宽范围可调性，因此金纳米棒用于光限幅材料时可以实现对可调谐激光武器的防护。基于这一研究思想，本项目拟研究不同长径比的金纳米棒的表面等离子体共振吸收和光限幅性质，制备金纳米棒与耐高温有机硅橡胶的杂化薄膜，研究其作为固体光限幅材料的性能。利用聚合物对金纳米棒进行表面改性使其能够在聚二甲基硅氧烷预聚体中有良好的分散性，然后通过硫化得到金纳米棒杂化硅橡胶薄膜，考察非线性光学性质和光限幅性能，研究激光照射下由于光热效应造成的无机-有机相界面的损伤和薄膜的光热稳定性。本项目的预期研究结果将为设计开发新型（特别是宽范围）的固体光限幅器件提供研究基础和科学依据，具有重要的理论和应用价值。

金纳米棒具有特殊的表面等离子体共振特性，用于光限幅材料有望实现对可调谐激光武器的防护；而开发金纳米棒和疏水聚合物的固体复合材料对于光限幅材料的实际应用具有重要意义。本项目进行了不同尺度、不同形貌的金纳米棒的制备与表征工作，对溶液中不同分散形式的金纳米棒的光限幅行为进行了研究；进行了金纳米棒的表面改性，利用巯基封端的聚乙二醇表面修饰和二氧化硅包覆的方法对金纳米棒的表面进行了改性；利用表面修饰的金纳米棒与有机硅橡胶预聚体进行复合，制备了不同掺杂量的具有良好透光性的、柔韧的固体杂化薄膜材料；研究了金纳米棒/有机硅杂化薄膜材料对于不同波长、不同脉宽的激光的光限幅行为和激光照射下材料的光热稳定性，利用Z-扫描方法研究了其非线性光学性质，对光限幅现象的产生机理进行了理论探讨。.结果发现，（a）修饰金纳米棒表面的巯基封端的聚乙二醇可以被十二硫醇部分取代，通过十二硫醇的烷基的疏水作用驱动金纳米棒进行肩并肩的组装，自组装后的金纳米棒的光限幅性能明显高于单分散的金纳米棒溶液。（b）对于波长为532 nm的纳秒激光脉冲，对于长径比为2.5左右的金纳米棒掺杂的样品，当掺杂量在0.003-0.008% 范围内时，当入射能量在80μJ/pulse左右时，出现饱和吸收向反向饱和吸收的转变，掺杂量最大的样品的光损伤阈值可达400μJ/pulse。对于长径比为4.1的金纳米棒掺杂的橡胶样品，Z-扫描曲线显示没有明显的饱和吸收现象，其最大光损伤阈值可达550μJ/pulse。（c）对于波长可调谐的飞秒激光，长径比为2.6左右的金纳米棒与有机硅橡胶的杂化薄膜材料对于700nm的激光的光限幅阈值可以降至0.241MW/cm2，长径比为3.8左右的金纳米棒与有机硅橡胶的杂化薄膜材料对于740nm的激光的光限幅阈值可以降至0.735MW/cm2，长径比为4.2左右的金纳米棒与有机硅橡胶的杂化薄膜材料对于800nm的激光的光限幅阈值可以降至0.257MW/cm2. 光限幅阈值随金纳米棒的有效掺杂浓度增加而降低，并且对于表面等离子体吸收峰值之外的波段，只要有足够的吸收强度仍能表现良好的的光限幅效应。激光照射前后的材料表面的扫描电镜结果显示，橡胶表面产生了损伤现象，但是仍能耐受几十分钟的照射而不产生烧孔现象。本项目的研究成果，将为开发固体光限幅器件提供研究基础，具有重要的理论和应用价值。