非晶硒的应用

摘要

本发明公开了一种非晶硒的应用，具体为非晶硒作为光学二次谐波材料的应用。利用飞秒激光液相烧蚀硒固体靶材制备出了不同粒径的非晶硒颗粒，超过300nm的单个非晶硒颗粒具有近红外光学二次谐波产生的功能，直径在200nm左右的非晶硒颗粒二聚体也具有光学二次谐波的功能。本发明首次提出非晶硒具有宽谱光学二次谐波的功能，突破了传统的光学二次谐波材料都是晶体的范畴。本发明制备工艺简单，重复性好，稳定性高，成本低。非晶硒作为一种新型的光学二次谐波材料，可替代传统的材料应用于生物检测、医学诊断、表面探测等领域。

权利要求

1.非晶硒的应用，其特征在于：为非晶硒作为光学二次谐波材料的应用，包括以下步骤：

1)将固体靶材置于反应容器中，然后往反应容器中注入二次去离子水，并使二次去离子水浸过靶材表面；

2)调节激光器的脉冲激光光束的光路，使激光光束依次经过全反射镜和聚焦透镜后聚焦在靶材表面；

3)开启脉冲激光器，在激光的作用下同时进行液体环境中脉冲激光烧蚀反应，固体靶材在激光高温高压的作用下形成纳米颗粒，在液体环境中长大成非晶硒颗粒；

4)反应结束后，关闭激光器，收集颗粒悬浮液，在加热板上进行干燥，得到目标产物，即非晶硒颗粒，不含其它杂质元素；

5)将非晶硒颗粒置于光学二次谐波测试真空样品台，利用分子泵抽真空；

6)利用CCD结合共聚焦显微系统，对非晶硒颗粒进行准确定位；

7)开启激光器，脉冲激光经过光路后聚焦到非晶硒颗粒，进行光学二次谐波激发；

8)利用光谱仪收集样品反射回来的光学二次谐波信号；

9)保持激光器的输出功率不变，改变激光器的输出波长，测量单个非晶硒颗粒和非晶硒颗粒二聚体的光学二次谐波波长可调谐性。

2.根据权利要求1所述的非晶硒的应用，其特征在于：在步骤1)中，所述靶材为硒靶，直径为2cm，厚度为0.5cm，纯度大于99.99％，所述反应容器为玻璃或塑料容器。

3.根据权利要求1所述的非晶硒的应用，其特征在于：在步骤2)中，所述激光聚焦至靶材表面的光斑直径为0.1cm。

4.根据权利要求1所述的非晶硒的应用，其特征在于：在步骤3)中，所述激光器的脉冲激光重复频率为1000Hz，脉冲宽度为35fs，单脉冲能量为2～4mJ。

5.根据权利要求1所述的非晶硒的应用，其特征在于：在步骤4)中，所述反应过程持续5～10分钟，颗粒悬浮液呈橙红色，干燥温度为30℃，时间为5h；制备得到的非晶硒颗粒为球型，直径分布范围为100～1000nm。

6.根据权利要求1所述的非晶硒的应用，其特征在于：在步骤5)中，真空度要达到

1.4Torr。

7.根据权利要求1所述的非晶硒的应用，其特征在于：在步骤7)中，所述激光器为飞秒脉冲激光器，可调谐波长范围在690～1040nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为80MHz，输出功率范围0～2W，激光聚焦光斑半径为1μm。

8.根据权利要求1所述的非晶硒的应用，其特征在于：在步骤9)中，单个非晶硒颗粒的直径要大于300nm，非晶硒颗粒二聚体的直径为200nm，使用激光器的输出波长在800～

960nm。

说明书

非晶硒的应用

技术领域

[0001] 本发明涉及非线性光学材料的合成和应用领域，尤其是指一种非晶硒的应用。

背景技术

[0002] 自1960年人类发明激光器后，非线性光学领域蓬勃发展，不断有新的非线性光学材料被合成出来，并且被广泛地应用于不同的科学领域。其中，光学二次谐波在频率转化以及表面探测方面扮演了重要的角色，由于其对材料没有损伤，因此是一种常用的探测技术。然而，几乎所有的光学二次谐波材料都是晶体，且工作的波段比较窄，能量转化率低，因此在实际应用上具有很大的局限性。

[0003] 非晶硒是一种全新的光学二次谐波材料，其光学二次谐波的有效范围很宽，具有良好的生物兼容性，因此在生物医学方面具有潜在性的应用。非晶硒可通过液相激光烧蚀制备，单个非晶硒颗粒即可实现光学二次谐波响应，因此是一种不可多得的非线性光学材料。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点和不足，提供一种非晶硒的应用，且能够简易快速地制备该非晶硒，表现出优异的光学二次谐波性能。

[0005] 为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种非晶硒的应用，具体为非晶硒作为光学二次谐波材料的应用。

[0006] 所述非晶硒作为光学二次谐波材料的应用，包括以下步骤：

[0007] 1)将固体靶材置于反应容器中，然后往反应容器中注入二次去离子水，并使二次去离子水浸过靶材表面；

[0008] 2)调节激光器的脉冲激光光束的光路，使激光光束依次经过全反射镜和聚焦透镜后聚焦在靶材表面；

[0009] 3)开启脉冲激光器，在激光的作用下同时进行液体环境中脉冲激光烧蚀反应，固体靶材在激光高温高压的作用下形成纳米颗粒，在液体环境中长大成非晶硒颗粒；

[0010] 4)反应结束后，关闭激光器，收集颗粒悬浮液，在加热板上进行干燥，得到目标产物，即非晶硒颗粒，不含其它杂质元素；

[0011] 5)将非晶硒颗粒置于光学二次谐波测试真空样品台，利用分子泵抽真空；

[0012] 6)利用CCD结合共聚焦显微系统，对非晶硒颗粒进行准确定位；

[0013] 7)开启激光器，脉冲激光经过光路后聚焦到非晶硒颗粒，进行光学二次谐波激发；

[0014] 8)利用光谱仪收集样品反射回来的光学二次谐波信号；

[0015] 9)保持激光器的输出功率不变，改变激光器的输出波长，测量单个非晶硒颗粒和非晶硒颗粒二聚体的光学二次谐波波长可调谐性。

[0016] 在步骤1)中，所述靶材为硒靶，直径为2cm，厚度为0.5cm，纯度大于99.99％，所述反应容器为玻璃或塑料容器。

[0017] 在步骤2)中，所述激光聚焦至靶材表面的光斑直径为0.1cm。

[0018] 在步骤3)中，所述激光器的脉冲激光重复频率为1000Hz，脉冲宽度为35fs，单脉冲能量为2～4mJ。

[0019] 在步骤4)中，所述反应过程持续5～10分钟，颗粒悬浮液呈橙红色，干燥温度为30℃，时间为5h；制备得到的非晶硒颗粒为球型，直径分布范围为100～1000nm。

[0020] 在步骤5)中，真空度要达到1.4Torr。

[0021] 在步骤7)中，所述激光器为飞秒脉冲激光器，可调谐波长范围在690～1040nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为80MHz，输出功率范围0～2W，激光聚焦光斑半径为1μm。

[0022] 在步骤9)中，单个非晶硒颗粒的直径要大于300nm，非晶硒颗粒二聚体的直径为200nm，使用激光器的输出波长在800～960nm。

[0023] 本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

[0024] 1、本发明采用飞秒脉冲激光溶蚀法成功制备了具有不同直径的非晶硒颗粒。

[0025] 2、本发明首次提出非晶硒具有光学二次谐波的功能，单个非晶硒颗粒产生二次谐波的效率达到10-8，并且能在宽谱范围内(800nm～960nm)实现光学二次谐波激发，具有光谱可调谐性。

[0026] 3、本发明制备工艺简单，重复性好，稳定性高。非晶硒作为一种新的光学二次谐波材料，可以替代传统的非线性光学材料应用于生物检测、医学成像、表面探测等领域。

附图说明

[0027] 图1为本发明的非晶硒颗粒的制备示意图。

[0028] 图2a为本发明的非晶硒颗粒的扫描电子显微镜照片图。

[0029] 图2b为本发明的非晶硒颗粒的透射电子显微镜照片图。

[0030] 图2c为本发明的非晶硒颗粒的选区电子衍射图。

[0031] 图2d为本发明的非晶硒颗粒的微区成分分析图。

[0032] 图3为本发明的非晶硒颗粒溶液的紫外可见吸收图谱。

[0033] 图4为本发明的非晶硒颗粒的二次谐波测试系统示意图。

[0034] 图5a为直径370nm非晶硒颗粒在890nm波长、20mW功率激发下发射的二次谐波信号。

[0035] 图5b为直径370nm非晶硒颗粒在890nm波长、110mW功率激发下发射的二次谐波信号。

[0036] 图5c为直径370nm非晶硒颗粒在890nm波长，不同功率激发下发射的二次谐波信号及拟合曲线。

[0037] 图6a为非晶硒颗粒二聚体的扫描电子显微镜照片图。

[0038] 图6b为非晶硒颗粒二聚体在770nm波长、50mW功率激发下发射的二次谐波信号。

[0039] 图6c为非晶硒颗粒二聚体在50mW功率，不同波长激发下发射的二次谐波信号变化。

具体实施方式

[0040] 下面结合多个具体实施例对本发明作进一步说明。

[0041] 实施例1

[0042] 如图1所示，本实施例在制备非晶硒时，具体是采用激光器1(采用Ti:sapphire飞秒脉冲激光，激光波长800nm，脉宽35fs)、全反镜2、聚焦透镜3、固体靶材4、反应容器5、二次去离子水6。其中，所述激光器1的脉冲激光频率为1000Hz，脉冲宽度为35fs，单脉冲能量为0～4mJ；所述固体靶材4为硒固体靶材，直径为2cm，厚度为0.5cm，纯度大于99.99％；所述反应容器5为玻璃或塑料容器，而在本实施例具体为石英容器。

[0043] 以下为本实施例制备所述非晶硒颗粒的具体过程，其情况如下：

[0044] 1)将硒固体靶材置于石英容器中，然后往石英容器中注入二次去离子水，并使二次去离子水浸过靶材的表面。

[0045] 2)调节激光器的脉冲激光光束的光路，使激光光束依次经过全反射镜和聚焦透镜后聚焦在靶材表面，聚焦时光斑在靶材表面直径大约为1mm。

[0046] 3)开启脉冲激光，在本实施例中该激光能量具体为2mJ/pulse，激光频率为1000Hz；而后在激光的作用下进行液体环境中脉冲激光烧蚀反应，固体靶材在激光高温高压的作用下形成纳米颗粒并长大成非晶硒颗粒。

[0047] 4)反应过程持续5～10分钟后(在本实施例中具体是10分钟)，关闭脉冲激光器，收集颗粒悬浮液(橙红色)，在加热板上进行干燥5小时(30℃恒温)，得到目标产物，即非晶硒颗粒。

[0048] 此外，在本实施中还对上述所得的非晶硒颗粒进行了扫描电子显微镜、透射电子显微镜分析、选区电子衍射、能量色散X射线光谱分析、紫外可见。其中，扫描电子显微镜、透射电子显微镜分析如图2a～2b所示，由图可见，制备的颗粒呈球型，颗粒尺寸分布在100nm-1000nm；图2c为制备的颗粒的选区电子衍射图谱，证明制备得到的是非晶的物质；图2d为样品的能量色散X射线光谱，证明该样品为纯的硒，没有其他杂质，由此我们制备得到非晶硒颗粒。图3为制备得到的样品溶液的紫外-可见-近红外吸收光谱，表明制备得到的非晶硒颗粒悬浮液在该波段的光学透过率高于70％。

[0049] 实施例2

[0050] 本实施例主要对实施例1制备得到的非晶硒颗粒进行光学二次谐波测试，如图4所示，具体是采用激光器7(采用Ti:sapphire飞秒脉冲激光，激光波长690～1040nm，脉冲宽度为100fs，重复频率为80MHz，输出功率范围0～2W)、部分反射镜8、聚焦透镜9、CCD10、光谱仪11、聚光物镜12、真空样品台13。其中，部分反射镜的反射透射比为1:1，聚光物镜为共聚焦显微物镜，样品台的真空度达到1.4Torr。

[0051] 以下为本实施例测试非晶硒颗粒的光学二次谐波性能具体过程，其情况如下：

[0052] 1)将非晶硒颗粒置于真空样品台，利用分子泵抽真空至真空度达到1.4Torr。

[0053] 2)利用CCD结合共聚焦显微镜对样品进行显微成像，定位不同粒径的非晶硒颗粒。

[0054] 3)开启激光器，脉冲激光经过光路后聚焦到样品，记性光学二次谐波激发，本实施例激光聚焦光斑的半径为1μm，可以定位到单个硒颗粒。

[0055] 4)利用光谱仪收集样品反射回来的二次谐波信号。

[0056] 直径为370nm的非晶硒颗粒在波长890nm，功率为20mW的激发下，发射出二次谐波信号如图5a所示，由图可见，在445nm处有一个微弱的信号，证明这是光学二次谐波。同时说明该硒颗粒的在890nm激光激发下的二次谐波产生阈值接近20mW。

[0057] 实施例3

[0058] 与实施例2不同的是，本实施例采用110mW激发该硒颗粒，得到其反射回来的二次谐波信号，如图5b所示，该信号的半高宽为3nm；随后，我们测试了该硒颗粒在不同功率下的反射信号，结果如图5c所示，实验数据拟合得到的直线斜率接近2，证明硒颗粒确实在激发光作用下发射出二次谐波信号。需要说明的是，对于直径小于300nm的单个非晶硒颗粒，并没有探测到其反射的二次谐波信号，只有直径达到300nm以上，才能由光谱仪探测得到二次谐波信号。

[0059] 实施例4

[0060] 与实施例2不同的是，如图6a所示，利用CCD定位到非晶硒颗粒二聚体，在激发光波长为770nm，功率为50mW作用下，由光谱仪探测到该二聚体反射的二次谐波信号，如图6b所示，在385nm处出现了一个明显的二次谐波信号。随后，保持50mW的激发功率不变，改变激光器的出射波长，从760nm开始，每隔20nm进行一次测试，得到不同波长激发下的二次谐波信号变化情况，如图6c所示，非晶硒颗粒二聚体反射的二次谐波信号随着激发光波长的变化而变化，由此可见，该非晶硒颗粒二聚体具有二次谐波激发波长可调谐性，工作范围较宽。

[0061] 以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。