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1.1.1 激光辐照方法原理
激光由于频率单一、方向性强、强度高，越来越多地被应用于制备纳米材料中。较早的利用激光制备纳米材料的方法是激光烧蚀方法。在该方法中，固体靶材置于特定液体当中，脉冲激光信号被聚焦之后，对准固体靶材的上表面。在脉冲激光轰击下，材料强烈地吸收激光的能量，以微爆炸的形式释放，由此形成纳米颗粒。这种方法由于简单易行，且适用于多种材料，尤其是对光吸收较强的材料，而被广泛地应用于纳米材料的制备中[5]。但是这种制备方法也有一些缺陷。第一，制备的纳米材料的性能尺寸分布大，难以实现对产物的尺寸调控。激光烧蚀方法以微爆炸的形式产生纳米颗粒，作为一种快速释放能量的方式，难以实现产物的尺寸调控是难以避免的。第二，随着激光烧蚀过程的进行，进入溶液的纳米颗粒浓度不断升高，光吸收逐渐增强，这就使得激光在轰击到靶材之前就被强烈地削弱，使得后续纳米材料的产生受到抑制。第三，无法实现纳米颗粒的形貌调控。微爆炸的原理决定了纳米颗粒的产物的形貌是难以控制的，而形貌调控却是纳米材料迈向应用的重要一步。事实上，以上三点都是这种方法的本征缺陷，是由其原理决定的，难以通过附加手段克服，因此激光烧蚀方法的发展受到了一定的限制。
后来在激光烧蚀方法的基础上，出现了基于激光的另一种纳米材料制备方法——激光辐照方法[6]。这种方法同样采用脉冲激光信号，且要求材料对光有较强的吸收。但是与激光辐照方法不同的是，激光并不聚焦，且作用对象是胶体而非固体靶材。胶体当中分散着源颗粒，颗粒的尺寸可以从几纳米到几十微米。激光辐照方法制备纳米颗粒的原理一个周期的脉冲激光的信号由三个部分构成，如图1.1所示：首先是一个持续时间为7纳秒至10纳秒的激光辐照时间，由于溶胶颗粒强烈地吸收激光能量，在这个过程中会被迅速加热到一个很高的温度。当温度低于熔点时，溶胶颗粒不会发生任何变化。当激光能量足够高，使得溶胶颗粒的温度高于熔点，溶胶颗粒就会融化成液态。在这个激光作用的过程之后，随之而来的是一个迅速冷却降温的过程。由于在激光作用下，只有对光有强烈吸收的溶胶颗粒对光有强烈吸收的作用，而周围的液态物质对光没有吸收作用，所以经历过第一个加热过程之后，溶胶颗粒被迅速加热到一个很高的温度而成为液态，而周围的环境依然处于室温，如图1.2所示，这就使得热量会迅速地从溶胶液体传递到周围的液体环境中，即对溶胶液体的降温过程。由于温差很大，降温的速率很快，整个降温过程大概只需经历10-4秒。当温度降低，原本被加热成液态的溶胶颗粒又会迅速冷却成固态。第三个阶段就是一个相对来说非常漫长的等待下一个脉冲信号的阶段，这个阶段远比前两个阶段的持续时间更长，约为一整个周期的持续时间[7]。
有趣的是，激光辐照得到的纳米颗粒最终都能达到球形化的形貌。这个现象可以根据加热—熔化—蒸发（Heating-Melting-Evaporation）模型[8]进行解释:当脉冲激光作用到溶胶颗粒上后，激光的能量被强烈地吸收，从而导致溶胶颗粒的温度瞬间升高。如果激光的能流密度足够大，就有可能使得溶胶颗粒的温度上升到其熔点之上，从而使得溶胶颗粒熔化而成为液态。在表面张力的作用下，由于球形液滴所形成的表面能最低，所以液态颗粒会自发趋向变成球形颗粒。由于激光作用时间很短，一个周期内的有效激光辐照时间为7-10纳秒，随后就是一个快速冷却的过程，所以球形化的过程并不是在一个周期内就能完成，所以颗粒而是需要一定的时间，具体时间是由溶胶颗粒的种类决定的。其示意图如图1.3所示。