[发明专利]一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置与方法

说明书

技术领域

本发明属于人工合成纳米金刚石领域，特指一种利用高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置与方法。

背景技术

近年来随着纳米科学技术的不断发展，纳米材料尤其是碳纳米材料如纳米金刚石等引起了人们广泛的关注。与宏观尺寸金刚石相比，纳米金刚石具有晶格常数大、比表面积大、德拜温度低、化学活性高等特殊性能，因而在金属镀膜、润滑油和精密抛光等领域具有广泛的应用前景。激光作为一种高能效、无污染的能量源，能在极短的时间内使材料发生一系列复杂变化，随着激光技术的不断发展，激光作为合成纳米材料的手段正被国内外广泛研究。

近年来陈晓虎和王金斌等人均采用纳秒脉冲激光冲击固体石墨靶材得到了纳米金刚石，但是陈晓虎在南京航空航天大学学报上提出采用激光冲击石墨涂层的方法，仅在涂层冲击区域观测到纳米金刚石；王金斌在材料研究学报上提出采用纳秒激光冲击水下的固体石墨靶材通过收集溅射液的方法合成纳米金刚石，两种方法合成效率较低，仅能用于理论研究。孙景、雷贻文等人在材料研究学报上提出采用毫秒激光辐照石墨悬浮液的方法成功合成出5nm左右的纳米金刚石，该方法属于连续合成法，合成效率有所提高，但是该方法合成过程中激光聚焦于液面以下1~3mm，激光的有效作用区面积小，且溅射问题不可避免，影响了整体合成效率，只能合成5nm左右的金刚石。

发明内容

本发明的目的是针对以上技术的不足，提供一种常温常压下利用高能灯泵浦固体激光器连续高效合成纳米金刚石的装置与方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置与方法。该方法创新之一在于提出利用高能灯泵浦固体激光器激光能量高、激光光束尺寸大的特点，在保证激光功率密度超过石墨转化为金刚石的能量势垒的情况下，通过调节激光能量的大小达到合成不同尺寸的纳米金刚石的目的。

该方法创新之二在于采用反应面板使得循环流动的石墨悬浮液流经反应面板时形成扩流，增大了激光的有效作用面积提高了合成效率。

该方法创新之三在于一级反应室基本密封仅留一微小入光口，仅少量液体从第二入光口飞溅出来后进入二级收集室，二级收集室的第一入光口附近设置的保护气喷嘴对内吹气，最大程度的回收了溅射液，避免污染环境，提高合成效率。

本发明的技术方案为：一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置，包括激光器系统、反应室系统和液体循环系统组成；所述激光器系统包括计算机（21）、高能灯泵浦固体激光器（1）和工作台（20），所述高能灯泵固体激光器（1）由计算机（21）控制激光参数；所述反应室系统位于所述工作台（20）上，所述反应室系统包括相邻的一级反应室（17）和二级收集室（5），所述一级反应室（17）侧壁上开有第二入光口（18），所述二级收集室（5）侧壁上开有第一入光口（4），所述一级反应室（17）内部斜置一块反应面板（16），所述高能灯泵固体激光器（1）的激光能够贯穿所述第一入光口（4）和第二入光口（18）辐射到所述反应面板（16）上；所述液体循环系统包括抽水泵（9）、抽水管（12）和出水管（11），所述抽水泵（9）和所述一级反应室（17）之间通过所述抽水管（12）和所述出水管（11）连接。

上述方案中，所述工作台（20）的位移由所述计算机（21）控制。

上述方案中，所述第一入光口（4）处设有保护气喷嘴（3），所述保护气喷嘴（3）喷出的保护气方向指向所述二级收集室（5）内部。

上述方案中，所述一级反应室（17）和所述二级收集室（5）的材料为有机玻璃，所述一级反应室（17）和所述二级收集室（5）各壁面之间采用有机玻璃胶粘接。

上述方案中，所述反应面板（16）位于所述一级反应室（17）的对角线上。

上述方案中，所述抽水泵（9）位于所述一级反应室（17）上端，所述一级反应室（17）上壁面设有第一开口（14）和第二开口（6），所述抽水泵（9）上设有抽水口（8）和出水口（10），所述抽水泵（9）上设有抽水口（8）和出水口（10），所述第一开口（14）和所述第二开口（6）内分别套有第一密封圈（13）和第二密封圈（7），所述抽水管（12）分别与所述抽水口（8）和所述第二开口（6）相连，所述出水管（11）分别与所述出水口（10）和所述第一开口（14）相连。

一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的方法，具体实施步骤如下。

一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的方法，包括如下步骤：

A  将石墨与去离子水以质量比为1：100~1:300配成石墨混合液；