基于碳纳米洋葱粒子的可饱和吸收体制备方法及应用

1.本发明涉及脉冲激光技术领域，特别涉及一种基于碳纳米洋葱的可饱和吸收体、可饱和吸收体的制备方法及应用。


背景技术：

2.脉冲光纤激光器展现出窄脉冲宽度和高峰值功率的显著优势，这使得它们具有材料加工、光纤等广泛应用传感、医疗外科和自由空间通信。被动调 q和锁模，是实现脉冲光纤激光器的主要手段。作为激光腔内非线性光调制器的可饱和吸收体，是实现脉冲激光技术的关键。现有的可饱和吸收体，存在许多限制，探索新的机理，新的材料，研制新一代的超快激光器是目前的研究的热点。非线性偏振旋转作为一种人造可饱和吸收体，通过利用激光腔中的偏振器和光纤的非线性双折射的组合来实现锁模，响应迅速，具有高损伤阈值。非线性偏振旋转的结构相对复杂，其状态易受温度影响，对腔体结构提出更高的要求，这极大限制了基于非线性偏振旋转的可饱和吸收体在超快激光器中的应用。
3.因此，对高性能的新型可饱和吸收体的探索具有重要意义，如制备工艺简单、成本低、参数调控灵活，特别是非线性吸收带宽较宽的可饱和吸收体，可实现多波段脉冲激光输出。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种基于碳纳米洋葱的可饱和吸收体制备方法，将碳纳米洋葱纳米粒子与成膜剂混合制成的可饱和吸收体，具有良好的透光率，其呈现出明显的可饱和吸收效应，且其制备简单，稳定性好，大大提高了光和材料的相互作用，增强了可饱和吸收体的损伤阈值。
5.本发明提供的技术方案为：
6.一种基于碳纳米洋葱粒子的可饱和吸收体制备方法，包括：
7.制备碳纳米洋葱粒子；
8.将所述碳纳米洋葱粒子、成膜剂和去离子水按比例混合后制成混合溶液；
9.将所述混合溶液经超声分散后，制备获得到基于碳纳米洋葱的可饱和吸收体。
10.优选的是，所述混合溶液中碳纳米洋葱粒子的质量份数为0.2份～1.63份，去离子水的质量份数为30～50份，所述成膜剂的质量份数为8～25份。
11.优选的是，所述混合溶液经超声分散后，涂抹在玻璃表面或沉积在拉锥光纤、d型光纤或包层腐蚀光纤表面，或填充在光子晶体空气孔中，干燥后获得到基于碳纳米洋葱的可饱和吸收体。
12.优选的是，所述成膜剂为羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷中的一种或几种。
13.优选的是，所述碳纳米洋葱粒子的制备包括：
14.将ni-fe/al2o3和nio-fe2o3的混合粉末撒入恒温箱中，所述恒温箱温度设定为第
一反应温度；其中，ni-fe/al2o3的质量份数为0.2份～1.63份， nio-fe2o3的质量份数为30～50份；
15.将氢气充入所述恒温箱内对所述混合粉末进行还原，并在氮气气氛下冷却至室温得到ni-fe粉末，其中，所述氢气的充入流量为100ml/min，充入时间为1h；
16.将所述恒温箱升温至第二反应温度，并充入甲烷、氮气和氢气，恒温处理够,通过化学气相沉积法生长出碳纳米洋葱沉淀物；
17.对所述恒温箱进行绝热处理，并在氮气气氛下冷却至室温，将所述碳纳米洋葱沉淀物合成碳纳米洋葱粒子。
18.优选的是，所述第一反应温度设定为450℃-500℃。
19.优选的是，所述第二反应温度为750℃-950℃，所述升温至第二反应温度的升温速度为10℃/分钟。
20.优选的是，所述恒温箱的冷却速率为5℃/min。
21.一种基于碳纳米洋葱可饱和吸收体，如基于碳纳米洋葱可饱和吸收体的制备方法制备的可饱和吸收体。
22.一种基于碳纳米洋葱粒子的可饱和吸收体制备方法及应用。
23.有益效果
24.1.本发明提供了一种基于碳纳米洋葱的可饱和吸收体制备方法，将碳纳米洋葱纳米粒子与成膜剂混合制成的可饱和吸收体，具有良好的透光率，其呈现出明显的可饱和吸收效应，且其制备简单，稳定性好。
25.2.本发明提供的光纤激光器，将碳纳米洋葱纳米粒子与成膜剂混合制成的可饱和吸收体，输出的激光运转良好，脉冲序列数据稳定，重复性好。
附图说明
26.图1为本发明所述的基于碳纳米洋葱粒子的可饱和吸收体制备方法流程图。
27.图2为本发明所述的光纤激光器的结构示意图。
28.图3为本发明所述的碳纳米洋葱可饱和吸收体的扫描电镜照片。
29.图4为本发明所述的碳纳米洋葱可饱和吸收体高倍透射电镜照片。
30.图5为本发明所述的碳纳米洋葱可饱和吸收体的吸收光谱图。
31.图6为本发明所述的碳纳米洋葱与羧甲基纤维素钠混合制备的可饱和吸收体薄膜用于1.56μm处调q激光器中的输出光谱。
32.图7为本发明所述的碳纳米洋葱与羧甲基纤维素钠混合制备的可饱和吸收体薄膜用于1.56μm处调q激光器中的脉冲序列数据。
33.图8为本发明所述的调q激光脉冲重复频率与脉冲宽度随泵浦功率变化的趋势图。
34.图9为本发明所述的碳纳米洋葱涂覆d型光纤的可饱和吸收体用于中心波长为1562nm处锁模激光器中的输出光谱。
35.图10为本发明所述的碳纳米洋葱涂覆d型光纤的可饱和吸收体用于中心波长为1562nm处锁模激光器中的脉冲序列数据。
36.图11为本发明所述的碳纳米洋葱涂覆d型光纤的可饱和吸收体用于中心波长为1932nm处锁模激光器中的输出光谱。
37.图12为本发明所述的碳纳米洋葱涂覆d型光纤的可饱和吸收体用于中心波长为1932nm处锁模激光器中的脉冲序列数据。
具体实施方式
38.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
39.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中”、“上”、“下”、“横”、“内”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.如图1所示，基于背景技术提出的技术问题，本发明提供了一种基于碳纳米洋葱可饱和吸收体的制备方法，包括如下步骤：
42.步骤s110、制备碳纳米洋葱粒子；
43.步骤s120、将碳纳米洋葱粒子、成膜剂和去离子水按比例混合后制成混合溶液；
44.步骤s130、将步骤s120得到的混合溶液经超声分散后，制备获得到基于碳纳米洋葱的可饱和吸收体。
45.其中，混合溶液中碳纳米洋葱粒子的质量份数为0.2份～1.63份，去离子水的质量份数为30～50份，成膜剂的质量份数为8～25份。
46.作为一种优选，步骤s130中，碳纳米洋葱的可饱和吸收体的制备过程科研通过步骤s120得到的混合溶液经超声分散后，涂抹在玻璃表面或沉积在拉锥光纤、d型光纤或包层腐蚀光纤表面，或填充在光子晶体空气孔中，干燥后获得到基于碳纳米洋葱的可饱和吸收体。
47.作为一种优选，成膜剂为羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷中的一种或几种。
48.在一个优选实施例中，所述碳纳米洋葱粒子的制备包括：
49.将ni-fe/al2o3和nio-fe2o3粉末均匀撒入恒温箱中，在氮气加保护下，以10℃/min速率升温，使恒温箱从室温上升到450℃-500℃；其中， ni-fe/al2o3的质量份数为0.2份～1.63份，nio-fe2o3的质量份数为30～50 份。
50.以100ml/min的流量向恒温箱中冲入氢气进行还原，1h后，然后在氮气气氛下冷却至室温，获得ni-fe粉末；
51.恒温箱以10℃/分钟的速度从室温到750℃-950℃之间,以甲烷作为碳源气体,氮
和氢的载气反应气体,恒温1h,化学气相沉积法生长碳纳米洋葱粒子；
52.绝热后，反应产物在氮气气氛下以5℃/min的冷却速率冷却至室温，得到碳纳米洋葱粒子；
53.将碳纳米洋葱粒子、成膜剂和去离子水按比例混合后制成混合溶液；
54.具体的成膜剂是成膜剂和去离子水摩尔比按8～25:1的比例混合并在搅拌均匀，直至溶液呈现无色透明状，具体的说，成膜剂为羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷中的一种或几种。
55.将所述混合溶液经超声分散后，涂抹在玻璃表面或沉积在拉锥光纤、d 型光纤或包层腐蚀光纤表面，或填充在光子晶体空气孔中，干燥后获得到基于碳纳米洋葱的可饱和吸收体。
56.具体的说，在本实施例中利用碳纳米洋葱纳米粒子与羧甲基纤维素钠，或聚乙烯醇，或聚甲基丙烯酸甲酯，或聚二甲基硅氧烷混合制成薄膜用作可饱和吸收体。具有良好的透光率，其呈现出明显的可饱和吸收效应，且其制备简单，稳定性好，大大提高了光和材料的相互作用，增强了可饱和吸收体的损伤阈值。
57.如图2所示，本发明还提供了一种光纤激光器，包括：泵浦光源110、耦合装置120、增益介质130、偏振无关光纤隔离器140、光纤联接装置150；偏振控制器160、光分路器170和脉冲光输出端180。
58.其中，泵浦光源110为980nm半导体激光器或1570nm光纤激光器，增益介质130为镱/铒/铥掺杂的石英光纤；耦合装置120设置在泵浦光源110 和增益介质130之间，能够将泵浦光源110发出的泵浦光耦合进入增益介质 130，形成激发态粒子；
59.作为一种优选，140为偏振无关光纤隔离器，且其工作波长为 1060nm/1550nm/1980nm，能够保证激光在激光腔内的单向运转。
60.光纤联接装置150为光纤联接头，用于放置有碳纳米洋葱可饱和吸收体；偏振控制器160用于调整腔内偏振态。
61.光分路器，170能够获取所述脉冲激光，并可将90％的脉冲激光反馈回激光腔内进行运转，10％用做输出激光，具体的说10％的输出脉冲通过光输出端180输出。
62.优选的是，所述泵浦光源为980nm半导体激光器或1570nm光纤激光器；所述耦合装置为波分复用器，且所述波分复用器的耦合波长为980/1060nm 或980/1550nm或1570/1980nm；所述光分路器的工作波长为1060nm或 1550nm或1980nm。
63.利用由碳纳米洋葱可饱和吸收体应用用于激光器，并检测激光器输出特性，以验证可饱和吸收体的稳定性。
64.实验例1、利用由碳纳米洋葱纳米粒子和羧甲基纤维素钠混合制得的可饱和吸收体及用于1.56μm处调q激光输出；
65.1、样品制备过程
66.将ni-fe/al2o3和nio-fe2o3粉末均匀撒入恒温箱中，在氮气加保护下，以10℃/min速率升温，使恒温箱从室温上升到450℃-500℃；以100ml/min 的流量向恒温箱中冲入氢气进行还原，1h后，然后在氮气气氛下冷却至室温，获得ni-fe粉末；在氮气的保护下，恒温箱以10℃/分钟的速度从室温到750℃
ꢀ‑
950℃之间,以甲烷作为碳源气体,氮和氢的载气反应气体,恒温1h,化学气相沉积法生长碳纳米洋葱粒子；绝热后，反应产物在氮气气氛下以5
℃/min的冷却速率冷却至室温，得到碳纳米洋葱粒子；
67.羧甲基纤维素钠(nacmc)去离子水溶液是羧甲基纤维素钠粉末和去离子水摩尔比按8～25:1的比例混合并在搅拌均匀，直至溶液呈现无色透明状。将合成的碳纳米洋葱纳米粒子与羧甲基纤维钠素去离子水溶液按摩尔比 1:1～64的比例混合，超声分散2～5h后将混合溶液旋涂于平整的载玻片表面，在真空密闭容器中自然干燥直至成膜，该层膜即是制得的可饱和吸收体。
68.进行光纤激光器测试，如图3所示，为运行于1.56μm波段处的环形腔光纤激光器，其中110为980nm半导体激光器，作为抽运光光源，120为 980nm/1560nm波分复用器，130为20cm长的铒掺杂的石英光纤，作为激光产生的增益介质，140为1560nm偏振无关光纤隔离器，为了保证激光在激光腔内的单向运转，150为光纤联接装置，具体为可饱和吸收体放置于光纤联接头表面，160为偏振控制器，用于调控激光腔的偏振态，170为1560nm 的10db光分路器，用于将产生的脉冲光进行分路导出，180为脉冲光输出端，分别连接光谱仪和示波器，进行光谱及脉冲的测试；整个实验装置中各个部件腔内接头的地方均使用单模光纤smf-28连接，然后利用光纤焊接机焊接而成。泵浦源为980nm半导体激光器110。泵浦光通过工作在980/1560nm 的波分复用器件120引导进入腔内。将长度为20cm的掺铒增益光纤130作为增益介质插入空腔。隔离器140主要是保证光的单向传输。将碳纳米洋葱薄膜放入150光纤套圈中。通过偏振控制器160调整腔体的偏振状态。输出激光通过一个10db的光耦合器170将10％的光输出180到osa光谱仪或者示波器中观察脉冲形状或者脉冲序列。
69.实验结果如图6-8所示：调q激光光谱中心波长为1559nm，脉冲的重率频率随泵浦功率增加而增加，同时脉冲宽度随着泵浦功率增加而减小，为调 q脉冲激光输出的典型特征。
70.实施例2：碳纳米洋葱涂覆d型光纤的可饱和吸收体及用于1.56μm波段处锁模激光输出；
71.1、样品制备过程
72.将ni-fe/al2o3和nio-fe2o3粉末均匀撒入恒温箱中，在氮气加保护下，以10℃/min速率升温，使恒温箱从室温上升到450℃-500℃；以100ml/min 的流量向恒温箱中冲入氢气进行还原，1h后，然后在氮气气氛下冷却至室温，获得ni-fe粉末；在氮气的保护下，恒温箱以10℃/分钟的速度从室温到750℃
ꢀ‑
950℃之间,以甲烷作为碳源气体,氮和氢的载气反应气体,恒温1h,化学气相沉积法生长碳纳米洋葱粒子；绝热后，反应产物在氮气气氛下以5℃/min的冷却速率冷却至室温，得到碳纳米洋葱粒子；
73.将得到碳纳米洋葱纳米粒子与去离子水按体积比为1:4～10的比例混合，并进行超声分散6小时，将超声分散后的混合溶液涂覆于d型光纤的表面，在真空密闭容器中自然干燥，水分蒸发，碳纳米洋葱纳米粒子覆盖在d型光纤表面即为可饱和吸收体。
74.2、进行光纤激光器测试，如图2所示，为运行于1.56μm波段处的环形腔光纤激光器，其中110为980nm半导体激光器，作为抽运光光源，120 为980nm/1560nm波分复用器，130为20cm长的铒掺杂的石英光纤，作为激光产生的增益介质，140为1560nm偏振无关光纤隔离器，为了保证激光在激光腔内的单向运转，150为光纤联接装置，具体为可饱和吸收体放置于光纤联接头表面，160为偏振控制器，用于调控激光腔的偏振态，170为1560nm 的10db光分路器，用于将产生的脉冲光进行分路导出，180为脉冲光输出端，分别连接光谱仪和示波
器，进行光谱及脉冲的测试；整个实验装置中各个部件腔内接头的地方均使用单模光纤smf-28连接，然后利用光纤焊接机焊接而成。泵浦源为980nm半导体激光器110。泵浦光通过工作在980/1560nm 的波分复用器件120引导进入腔内。将长度为20cm的掺铒增益光纤130作为增益介质插入空腔。隔离器140主要是保证光的单向传输。将涂覆碳纳米洋葱纳米粒子的d型光纤150接入激光器中。通过偏振控制器160调整腔体的偏振状态。输出激光通过一个10db的光耦合器170将10％的光输出180 到osa光谱仪或者示波器中脉冲形状或者脉冲序列。逐渐增加激光器110的泵浦功率，调节光纤激光器的偏振，实现锁模脉冲激光输出，
75.实验结果如图9-10所示：锁模激光光谱中心波长为1562nm，相邻脉冲序列间隔52ns，重复频率为19.2mhz。
76.实施例3：碳纳米洋葱涂覆d型光纤的可饱和吸收体及用于2μm波段处锁模激光输出；
77.1.样品制备过程
78.将ni-fe/al2o3和nio-fe2o3粉末均匀撒入恒温箱中，在氮气加保护下，以10℃/min速率升温，使恒温箱从室温上升到450℃-500℃；以100ml/min 的流量向恒温箱中冲入氢气进行还原，1h后，然后在氮气气氛下冷却至室温，获得ni-fe粉末；在氮气的保护下，恒温箱以10℃/分钟的速度从室温到750℃-950℃之间,以甲烷作为碳源气体,氮和氢的载气反应气体,恒温1h,化学气相沉积法生长碳纳米洋葱粒子；绝热后，反应产物在氮气气氛下以5℃/min的冷却速率冷却至室温，得到碳纳米洋葱粒子；
79.将得到碳纳米洋葱纳米粒子与去离子水按体积比为1:4～10的比例混合，并进行超声分散6小时，将超声分散后的混合溶液涂覆于d型光纤的表面，在真空密闭容器中自然干燥，水分蒸发，碳纳米洋葱纳米粒子覆盖在d型光纤表面即为可饱和吸收体。
80.2、进行光纤激光器测试，如图2所示，为运行于2μm波段处的环形腔光纤激光器，其中110为1570nm光纤激光器，作为抽运光光源，120为 1570nm/1980nm波分复用器，130为20cm长的铥掺杂的石英光纤，140作为激光产生的增益介质，为1980nm偏振无关光纤隔离器，为了保证激光在激光腔内的单向运转，150为光纤联接装置，具体为可饱和吸收体放置于光纤联接头表面，160为偏振控制器，用于调控激光腔的偏振态，170为1980nm 的10db光分路器，用于将产生的脉冲光进行分路导出，180为脉冲光输出端，分别连接光谱仪和示波器，进行光谱及脉冲的测试；整个实验装置中各个部件腔内接头的地方均使用单模光纤smf-28连接，然后利用光纤焊接机焊接而成。泵浦源为1570nm光纤激光器110。泵浦光通过工作在1570/1980nm 的波分复用器件120引导进入腔内。将长度为20cm的掺铥增益光纤130作为增益介质插入空腔。隔离器140主要是保证光的单向传输。将涂覆碳纳米洋葱纳米粒子的d型光纤150接入激光器中。通过偏振控制器160调整腔体的偏振状态。输出激光通过一个10db的光耦合器170将10％的光输出180 到osa光谱仪或者示波器中观察脉冲形状或者脉冲序列。逐渐增加激光器 110的泵浦功率，调节光纤激光器的偏振，实现锁模脉冲激光输。
81.实验如图11-12所示：锁膜激光光谱的中心波长为1932nm，相邻脉冲序列间隔46.94ns，重复频率为27.3mhz。
82.本发明提供了一种基于碳纳米洋葱的可饱和吸收体制备方法，将碳纳米洋葱纳米粒子与成膜剂混合制成的可饱和吸收体，具有良好的透光率，其呈现出明显的可饱和吸收效应，且其制备简单，稳定性好。
83.本发明提供的光纤激光器，将碳纳米洋葱纳米粒子与成膜剂混合制成的可饱和吸收体，输出的激光运转良好，脉冲序列数据稳定，重复性好。
84.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。