一种基于光诱导黑体吸收效应的吸光材料及其应用

本发明属于光学材料，具体涉及一种基于光诱导黑体吸收效应的吸光材料及其应用。

背景技术：

1、激光是一种由电子受激辐射产生的特殊的光，相比于其他光源，激光具有极好的单色性、方向性和相干性。激光因为其高的功率密度的特点而被广泛的用于激光切割、激光打孔、激光焊接、激光雕刻等激光加工领域。其应用原理是：高功率密度的激光束照射材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，从而达到切割材料和击穿材料的目的。为了达到上述目的，材料需要对工作激光拥有较大的吸收率。一旦工作激光的波长与材料对光的吸收范围不匹配，其工作效能就会大大降低，甚至导致这个材料无法采用激光加工。这极大的限制了激光加工的应用范围。

技术实现思路

1、针对现有激光加工工艺中诸多材料对工作激光的吸收率低而导致工作效能低的问题，本发明提供了一种基于光诱导黑体吸收效应的吸光材料及其应用。

2、具体内容如下，在强烈的激光照射下，某些材料会发出明亮的白光，与此同时材料呈现出黑体吸收特征。即在宽带电磁波发射的同时材料对宽波段(不窄于200nm～2500nm)的电磁波具有明显的强烈吸收。宽带发光的突然产生和光吸收的迅速增加是在一个明显的能量积累过程后同步发生的。这些特征类似于光子雪崩发光和光子雪崩吸收。已报道的雪崩发光现象一般满足以下条件：弱的e0基态吸收，强的e1激发态吸收，以及e2高能级到e1激发态能级和e0基态能级到e1激发态能级的两个跃迁之间的有效交叉弛豫，以逐渐布居e1激发态能级。当e1激发态能级的布居达到一定水平时，e1的激发态吸收和e0→e1+e2→e1交叉弛豫迅速增加，导致从上面的e2高能级的辐射跃迁以雪崩的方式急剧增加。显然，激发态吸收的增强和激发态布居的增加构成了一个正反馈过程，表现为光吸收和光致发光的突然增强。然而，在我们的最新研究中发现，雪崩式的发光增强伴随着雪崩式的宽带光吸收增强，呈现出黑体吸收特征。当光诱导黑体吸收出现时，实验中所使用的任何材料都会强烈地吸收辐照光，无论其波长如何，被照射材料在全光谱范围都具有强烈的光吸收。这两个特征确切地表明，这些具有宽带强吸收的能级是新产生的量子态，是在强光照射下光诱导产生的新能带，并具有全光谱范围强烈光吸收的特性。准确地说，在这种全新的光子雪崩光学频率转换后，材料将照射到其上的光转换为宽带电磁辐射，其光谱与黑体辐射(或热辐射)非常相似，与此同时材料对宽波段(不窄于200nm～2500nm)的电磁波表现出明显的强烈吸收(吸收率大于90％)。我们将这种现象称之为光诱导黑体吸收。

3、基于上述原理，我们研发出了一系列光致黑体吸收材料。在诱导激光照射下，这种材料可以进入到光致黑体吸收状态。材料在进入到这种状态后，不仅表现出了类似于黑体辐射的发光状态，释放出类似于黑体辐射的宽谱电磁波(200nm～2500nm)，与此同时还表现出了类似于黑体的光吸收性能，对宽谱的电磁波(200nm～2500nm)表现出了强烈的吸收，在宽谱范围(200nm～2500nm)的光吸收率均可以达到90％以上。

4、很明显，具有高功率密度的辐照光场是改变材料吸收特性的根本因素。例如，白色样品在强光照射下迅速转化为具有强吸收的黑体材料，而当光照被移除时，又恢复到原来的状态(如白色)。在近红外激光聚焦照射下，样品(通常为白色)发出强烈的宽带光辐射，在紫外、可见和红外光谱区域的光学吸收明显快速增加，增幅高于90％，就像黑体一样。换句话说，当这些样品发射出强烈的白光发射时，它们的光学吸收突然以雪崩的方式增加。与此同时，样品的光谱色温温度可高达2800℃以上，足以熔化或损毁绝大多数材料。

5、与上述实验类似，我们采用其他波长的激光开展了类似的实验，发现只要激光波长可以被基质材料所吸收，均可实现光诱导黑体吸收现象发生。例如，如果基质材料中掺杂yb3+离子，～980nm的激光(～10w/mm2)就可以诱导黑体吸收现象瞬间发生；如果基质材料中掺杂er3+离子，～1530nm的激光就可以诱导黑体吸收现象发生；如果基质材料中掺杂nd3+离子，～1064nm的激光就可以诱导黑体吸收现象发生；如果基质材料中掺杂cdse量子点，根据量子点尺寸的不同，400～600nm的激光可以诱导黑体吸收现象发生，依此类推。上述发现表明：

6、1、光诱导黑体吸收现象发生时，基质材料对光的吸收不再有选择性，即任何波长的光或激光都会被材料强烈地吸收。该特征扩大了激光切割和激光武器的波长可用范围。

7、2、如果材料的光吸收较大(通常不小于0.1％)，光诱导黑体吸收现象就会发生。通过元素掺杂使得基质材料的初始光吸收系数增大，光诱导黑体吸收现象越容易发生。利用该特征，我们可以针对激光波长来设计和制备光诱导黑体吸收材料。例如，我们现有激光器a，拟对α材料进行激光切割或激光损毁。但是，如果激光器a的波长与α材料的光吸收波长并不匹配，激光切割或激光损毁的效率就会很低甚至不能工作。

8、3、利用光诱导黑体吸收效应，我们可以彻底改变上述情况。通过设计与制备光诱导黑体吸收材料，增加激光切割或激光损毁的效能，扩大现有激光器的适用范围。具体方法如下：

9、(1)、根据激光器a的波长选择合适的掺杂剂，所谓合适的掺杂剂即是对a激光有不小于0.1％光吸收的元素、化合物或混合物，而且光吸收越大越好。将掺杂剂利用物理或化学方法掺杂到α材料中，以增强α材料对激光a的吸收。用激光器a对α材料表面进行照射，使α材料的表面产生光致黑体吸收特性，此时α材料瞬间被光诱导变成具有宽带吸收特性的黑体吸收材料；与此同时，α材料对激光a的吸收迅速提高到90％～99％以上。当激光器a的功率达到或超过30w时，α材料的表面和内部将产生2800℃以上的高温，达到激光烧蚀、激光焊接、激光切割和激光损毁的目的。

10、(2)、在上述方法中，需要对目标材料(α材料)进行掺杂，但在很多应用(如激光切割或激光损毁)中这种方法受到限制。然而，利用光诱导黑体吸收效应，我们可以设计、制备一种普适的光诱导黑体吸收材料。例如，我们将10mol％yb3+离子掺杂在y2o3粉末中，用980nm激光对其照射灼烧。当聚焦在y2o3:10mol％yb3+粉末上的980nm激光功率密度达到某一阈值(与掺杂浓度有关，如20w/mm2)后，y2o3:10mol％yb3+粉末进入黑体吸收状态，材料被激光烧蚀，yb3+离子掺杂进入y2o3晶格之中。这种制备好的材料对980nm激光很容易产生黑体吸收效应。将制备好的光诱导材料涂覆在α材料(任意材料)的表面，并用980nm激光作为诱导激光在材料的表面产生光诱导黑体吸收效应，从而提高α材料对激光a(大功率，任意波长)的吸收率，进一步增强光诱导黑体吸收效应，在α材料的表面和内部产生2800℃以上的高温，达到激光切割和激光损毁的目的。该光诱导黑体吸收材料的优点是，按照上述思想设计与制备的光诱导黑体吸收材料与诱导激光的波长完全匹配，对诱导激光(如980nm激光)的输出功率要求不高，对拟进行激光切割和激光损毁的材料没有任何要求，光诱导材料的设计与制备方法简单，适用范围广泛。

11、利用这种材料可以通过诱导激光实时地调控材料的光吸收性能。将其与要被加工的材料结合，可以实现通过激光对其它材料吸收性能进行调控。尤其是在激光加工领域，受制于材料本身对加工激光低吸收率，很多优质的材料并不适合于激光加工。通过将待加工材料与光诱导黑体吸收材料结合并采用激光诱导，我们可以改变待加工材料原有的吸收特性使其利于加工。光致黑体吸收材料的出现极大的拓宽了激光加工的可加工范围。

12、将这种材料与待加工的材料相结合后，通过诱导激光照射，待加工材料可以进入光致黑体吸收状态，此状态下的待加工材料在宽波段(200nm～2500nm)范围内的光吸收率可以达到90％以上。

13、本发明通过如下技术方案实现：

14、一种基于光诱导黑体吸收效应的吸光材料，所述吸光材料由一种基质材料及掺杂剂组成，并利用相应的激发光照射掺杂后的材料获得基于光诱导黑体吸收效应的吸光材料；其中，所述掺杂剂对所使用的激发光具有不小于0.1％的光吸收，掺杂剂的掺杂浓度范围为0.1mol％～80mol％。

15、进一步地，所述基质材料包括但不局限于氧化物、氟化物、mref4或混合纳米结构；其中，m为li、na、k或ba，re为稀土元素。

16、进一步地，所述氧化物为y2o3、la2o3、lu2o3、gd2o3、yb2o3、zro2、y3al5o12、ca12al14o33、y2si2o7、y4zr3o12、yvo4、sr2ceo4、gd3ga5o12、yb3al5o12、ndalo3、pro2、bacusi4o10；所述氟化物为yf3、laf3、luf3、gaf3、ybf3；所述mref4为nayf4、lilaf4、baluf4、kgdf4；所述混合纳米结构为ag-sio2-er2o3、yb2o3/au、nd2o3/au或gd2o3/au。

17、进一步地，所述掺杂剂包括但不局限于稀土元素、过渡族元素、量子点、金纳米颗粒或多种掺杂剂混合掺杂；掺杂剂的掺杂浓度控制在10mol％～30mol％之间。

18、另一方面，本发明提供了一种基于光诱导黑体吸收效应的吸光材料在激光加工方面的应用，具体包括如下内容：

19、s1：将所述的基于光诱导黑体吸效应的材料进行干燥、研磨、筛选处理，得到所需颗粒尺寸的粉末；

20、s2：将步骤s1制备得到的所需颗粒尺寸的粉末材料与待加工材料选择合适的方式结合得到目标材料；

21、s3：通过诱导激光照射，使目标材料进入到光致黑体吸收状态，使得待加工材料的光吸收率在宽谱范围(200nm～2500nm)内达到90％以上，对材料进行烧制、退火、脱脂、塑形、切割、雕刻加工。

22、s4：若步骤s3的诱导激光功率低，不足以完成激光加工任务，此时可以加载任意波长的大功率工作激光，对材料进行烧制、退火、脱脂、塑形、切割、雕刻加工。

23、进一步地，步骤s1中，所述干燥的温度在40℃～500℃之间，研磨方式包括不限于干法研磨、湿法研磨、半干研磨、低温研磨方式，筛选的颗粒尺寸介于10nm～100μm之间。

24、进一步地，步骤s2中，若所使用的激光加工领域是激光烧结、激光脱脂、激光加热领域，待加工的材料是陶瓷、玻璃、琉璃材料；则粉末材料与待加工材料通过搅拌、压制、揉制，震荡等方式均匀的混合在一起；

25、若所使用的激光加工领域是激光切割、激光雕刻、激光打孔领域，因待加工的材料无法与光诱导调控光学吸收材料粉末充分混合，可将粉末材料首先与表面活性剂、粘结剂、溶剂按照比例混合制备成悬浊液，再通过刮涂、刷涂、喷漆方式均匀地涂覆在待加工材料的表面。

26、进一步地，所述表面活性剂包括但不限于油酸、油酸钠、油胺、聚乙烯吡咯烷酮、羧甲基纤维素钠、脂肪酸皂、十二烷基硫酸钠、月桂醇聚氧乙烯醚硫酸钠等一切可以将光致诱导黑体吸收材料粉末分散到溶剂中的表面活性剂中的一种或多种；

27、所述粘结剂包括但不限于聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、聚甲基丙烯酸甲酯等一切可以将光致诱导黑体吸收材料粘附在拟加工的材料表面的粘结剂中的一种或多种；

28、所述溶剂包括但不限于水、甲醇、乙醇、环己烷、甲苯、短链烷烃等常见溶剂中的一种或多种。

29、与现有技术相比，本发明的优点如下：

30、1、产生光诱导黑体吸收效应不取决于具体的待加工材料，理论上任何材料都可以利用本发明所述的材料和应用方法获得强烈的宽带光吸收特征。首先，光诱导黑体吸收材料对指定波长的激发光产生吸收，并进入到光诱导黑体吸收状态，变为一种优秀的光吸收材料，对宽波段(200nm～2500nm)的电磁波产生明显的吸收，进而导致与光诱导黑体吸收材料相邻近的任何待加工材料进入到黑体吸收状态，变为一种优秀的光吸收材料；

31、2、其应用不限定工作激光的波长，只要掺杂剂对选取的激发光波长有较强的吸收就可以使待加工材料发生光诱导黑体吸收，从而使待加工材料的光学吸收剧烈增加；

32、3、光诱导所引起的材料光学吸收增强是宽波段(200nm～2500nm)范围内的增强，本发明的光吸收材料对宽波段(200nm～2500nm)的电磁波都有明显的吸收，吸收范围远大于材料原有的本征吸收范围；

33、4、诱导材料制备完成后可以对原本不吸收的波长产生光吸收，使材料发生光诱导黑体吸收的阈值功率大大降低；这种强吸收材料在未来的激光加工/切割、激光武器等方面有很大的潜在应用价值；

34、5、不取决于波长，只要选取的光诱导调控光学吸收材料与选取的诱导激光的波长相匹配，待加工材料与本产品相结合改性后，改性后的待加工材料在诱导激光的照射下，即可进入到光致黑体吸收状态，此时待加工的材料可以对宽波段(200nm～2500nm)范围内均有强吸收(吸收率大于90％)。