碳納米管，石墨烯和過渡金屬二鹵化物的液體懸浮液在光學(xué)限制方面表現(xiàn)優(yōu)異的性能。然而，潛在的機理仍然難以捉摸，并且通常歸因于其優(yōu)越的非線性光學(xué)特性，如非線性吸收或非線性散射。以石墨烯為例，我們發(fā)現(xiàn)光熱微氣泡作為強光散射中心是造成光學(xué)限制的原因：石墨烯片吸收入射光并被加熱到高于水的沸點，從而產(chǎn)生蒸汽和微氣泡。該結(jié)論基于對激光束上方氣泡的直接觀察，以及激光誘導(dǎo)超聲與光限幅之間的強相關(guān)性。石墨烯的原位拉曼散射進一步證實，在激光脈沖作用下，石墨烯的溫度升高至高于水的沸點，但仍然過低而無法汽化石墨烯，并產(chǎn)生石墨烯等離子體氣泡。光熱氣泡散射不是非線性光學(xué)過程，且需要非常低的激光強度。這一認識有助于我們設(shè)計更有效的光學(xué)限幅材料，且進一步理解納米材料固有的非線性光學(xué)性質(zhì)。
Fig. 1. 具有光散射中心直接成像的開孔光學(xué)極限Z掃描實驗。(a)實驗裝置示意圖。(b)不同激光功率石墨烯懸浮液Z掃描曲線。(c-e)隨放大倍數(shù)增加的散射中心光學(xué)圖像。
Fig. 2. 實驗裝置觀察和識別激光束上方的光熱氣泡。(a)實驗裝置。(b-c)從氣泡的形狀、大尺寸和更快的速度向水面移動來識別氣泡。
Fig. 3. OL與氣泡光聲信號相關(guān)的實驗裝置。(a)實驗裝置示意圖。(b)石墨烯懸浮液在45mW激光下的Z掃描曲線與Fig.1b相同。(c) OL Z掃描曲線在不同位置的超聲信號。
Fig. 4. 利用拉曼散射測量石墨烯溫度。(a)實驗裝置示意圖。(b) 10mW和45mW激光功率下石墨烯的拉曼光譜。
Fig. 5. 激光誘導(dǎo)的氣泡散射光。(a)石墨烯薄片激光加熱產(chǎn)生氣泡散射中心圖。(b, d)由一(十)個氣泡引起的光透射與氣泡直徑的關(guān)系。(c, e)一(十)個氣泡引起的散射與氣泡直徑的關(guān)系。
相關(guān)研究成果于2020年由電子科技大學(xué)Jiming Bao課題組，發(fā)表在Nanoscale (DOI: 10.1039/C9NR10516F)上。原文：Photoacoustic Identification of Laser-induced Microbubbles as Light Scattering Centers for Optical Limiting in Liquid Suspension of Graphene Nanosheets。
