CN103293821A

CN103293821A - 集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件及其制备方法

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Publication number: CN103293821A
Application number: CN2013101792376A
Authority: CN
Inventors: 王枫秋
Original assignee: 王枫秋
Current assignee: Xuzhou nuopai Laser Technology Co., Ltd.
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-05-15
Also published as: CN103293821B

Abstract

本发明公开了一种集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件及其制备方法，其特征在于：包括第一光学反射元件、第二光学反射元件、间隔材料层和碳材料层；第一光学反射元件和第二光学反射元件存在空间间隔形成法布里－珀罗谐振腔；碳材料层位于第一光学反射元件和第二光学反射元件之间；间隔材料层位于第一光学反射元件与碳材料层之间，或位于第二光学反射元件与碳材料层之间，或位于第一光学反射元件与碳材料层之间以及第二光学反射元件与碳材料层之间。本发明实现了对光学吸收、吸收光谱、调制深度等线性和非线性光学参数的灵活操控，同时还具有低成本，光学损伤阙值低，稳定性高，易集成等优点。

Description

集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件及其制备方法

技术领域

本发明属于非线性光学领域，具体涉及一种集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件及其制备方法。

背景技术

非线性光学的研究对象是介质在强激光场作用下由于极化强度的高阶项强度不可被忽略而产生的非线性现象以及其应用。非线性光学现象或效应包括可饱和吸收、多光子吸收、光学倍频、混频、参量振荡等。依赖于非线性光学现象或效应的器件称为非线性光学器件，其应用非常广泛，包括：基于可饱和吸收的激光锁模或者调Q脉冲生成、二次、三次以及更高阶的谐波产生、和频或差频法实现激光频率转换、利用光学参量震荡实现激光频率调谐等。这些非线性光学应用与激光技术的发展息息相关。

脉冲是指每间隔一定时间才发生一次的工作方式。以脉冲工作方式运转的激光器就是脉冲激光器。与连续波激光器相比，这类激光器具有脉冲能量大、峰值功率高、频谱丰富等特点，近年来在光通信系统、光电传感、生物医学、精密加工等方面得到了广泛的应用。实现激光脉冲一般有锁模和调Q两种方式。

锁模激光器，是输出光脉冲宽度在皮秒量级或更短的激光器的统称（1皮秒=10^-12秒），具有峰值功率高、时间灵敏度高等特点。调Q激光器与锁模激光器相比，一般产生脉冲重复频率更低，脉冲持续时间更长，脉冲能量更高。目前产生锁模或调Q激光器一般有主动方式和被动方式两类技术。由于使用被动方式产生脉冲无需外部电控器件，所以成为当前脉冲激光应用的首选技术。

以被动方式实现激光脉冲的核心器件称为可饱和吸收体，是一种在激光工作波长具有吸收率随入射光功率增大而减小特征（也称光学可饱和吸收）的非线性光学器件。这类非线性光学器件根据材料的不同，可具有多种不同器件结构和形态。随着入射光功率强度到称为可饱和吸收体饱和强度的阈值, 可饱和吸收体对入射光的吸收达到最小值。一般常用有可饱和吸收特征的非线性光学器件为半导体可饱和吸收镜(SESAM)，这类器件利用了法珀腔结构，因而具有光学吸收强、线性损耗低的优点，但是由于所使用的半导体材料的带宽、热性能等的限制，基于SESAM的激光器具有光谱带宽受限、耦合难度大、损伤阈值低等一系列问题。

近年来，多种低维碳纳米材料，如单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯（包括氧化石墨烯和还原的氧化石墨烯）等，由于其优异的非线性光学特征，相继被应用于光纤激光器和固态激光器中产生激光脉冲。与SESAM所使用的半导体可饱和吸收材料相比，低维碳纳米材料具有工作波长范围广、损伤阈值高等优秀的光学特性。然而，目前基于低维碳纳米材料的非线性光学器件通常采用薄膜器件的形式，光学参数由低维碳纳米材料的本征值所决定，因而相关的光学参数难以调控，限制了基于这些器件的脉冲激光器的参数优化范围，导致脉冲激光器的稳定性、功率输出以及偏振态调控等受限，限制了该类激光器的应用前景。

发明内容

本发明公开了一种集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件及其制备方法，这种非线性光学器件可作为可饱和吸收器件、光调制器件、脉冲整形器件或噪声抑制器件。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件，包括第一光学反射元件、第二光学反射元件、间隔材料层和碳材料层；第一光学反射元件和第二光学反射元件存在空间间隔形成法布里－珀罗谐振腔（也称法珀腔，该法珀腔存在一系列光学共振频率）；碳材料层位于第一光学反射元件和第二光学反射元件之间；间隔材料层位于第一光学反射元件与碳材料层之间，或位于第二光学反射元件与碳材料层之间，或位于第一光学反射元件与碳材料层之间以及第二光学反射元件与碳材料层之间。

其中第一光学反射元件材料为介质多层反射膜或金属纳米薄膜，其反射率为0.1%-100%，第二光学反射元件材料为介质多层反射膜或金属纳米薄膜，碳材料层为石墨、单层石墨烯、多层石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或无定型碳中的一种或多种碳材料依次叠加形成的复合结构，碳材料层厚度为0.3纳米-1微米；间隔材料层材料为高聚物透明材料、透明氧化物陶瓷或透明非氧化物陶瓷，间隔材料层厚度为50纳米-200微米。

介质多层反射膜材料优选硫化锌、氟化镁、氟化钇、氧化钽、砷化镓、砷化铝、无定型硅、无定型锗、氧化铂、氧化钛或氧化硅；金属纳米薄膜材料优选金、银或铝；高聚物透明材料优选聚乙烯醇、聚丙烯酸胺、聚甲基丙烯酸甲酯或纤维素；透明氧化物陶瓷优选氧化铝、氮氧化铝，氧化镁、氧化铍、氧化钇或氧化钇-二氧化锆；透明非氧化物陶瓷优选砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁或氟化钙。

集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的制备方法，在第一光学反射元件上生长或沉积间隔材料层作为基底，或将第一光学反射元件作为基底；将碳材料层依次沉积到上述基底上或将生长好的单层或多层碳材料依次转移到基底上；在碳材料层上再生长或沉积间隔材料层，再在第二次生长的间隔材料上生长或沉积第二光学反射元件，或直接在碳材料层上生长或沉积第二光学反射元件；至少含有一个间隔材料层。

间隔材料的生长或沉积方法为热蒸镀、电子束蒸镀、脉冲激光沉积、分子束外延、原子层沉积或化学气相沉积；光学反射元件的生长或沉积方法优选磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、原子层沉积或化学气相沉积。

第一光学反射元件材料优选介质多层反射膜或金属纳米薄膜，第二光学反射元件材料优选介质多层反射膜或金属纳米薄膜，碳材料层为石墨、单层石墨烯、多层石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或无定型碳中的一种或多种碳材料依次叠加形成的复合结构，碳材料层厚度为0.3纳米-1微米；间隔材料层厚度为50纳米-200微米，间隔材料层材料为高聚物透明材料、透明氧化物陶瓷或透明非氧化物陶瓷。

由于上述碳材料层具有可饱和吸收特性，集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件可以作为光学可饱和吸收器件来产生调Q和锁模脉冲激光；这种非线性光学器件亦可作为光调制器件、脉冲整形或噪声抑制器件。

基于集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的光纤脉冲激光器，包括谐振腔、泵浦源和泵浦隔离器，谐振腔为环形腔，谐振腔包括由非掺杂光纤依次连接成环的泵浦耦合器、增益介质、隔离器、输出耦合器；还包括集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件，泵浦隔离器通过非掺杂光纤分别与泵浦源和泵浦耦合器连接，集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件可置于泵浦耦合器与增益介质之间、或隔离器与输出耦合器之间、或增益介质与隔离器之间、或输出耦合器与泵浦耦合器之间。

集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件也可通过环形器连接到环形腔内。

光纤激光器中的增益介质为掺杂光纤，为掺杂光纤或具有拉曼增益的光纤，增益光纤的纤芯/包层结构可为单包层或双包层结构；谐振腔内所有光纤均可替换为保偏光纤。上述掺杂光纤，其掺杂元素包括钕(Nd)、镱(Yb)、镨(Pr)、铋(Bi)、铒(Er)、铥(Tm)、钬(Ho)中的一种或者多种；其光纤基质可包括石英、硅酸盐、磷酸盐、碲酸盐、氟化物；增益光纤的纤芯/包层结构可为单包层或双包层结构。

谐振腔内还可包括波长选择器件或滤波器件，用于控制激光输出的中心波长以及输出光谱带宽。

基于集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的光电调制器件，其特征在于：第一光学反射元件和第二光学反射元件材料为金属纳米薄膜，并通过电极连接至可调电压源。通过调节电压产生的电场强度与为集成有超薄碳层的法珀腔光电调制器件的线性及非线性光学吸收强度相关，从而实现了光-电调制。

基于集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的光电调制器件脉冲整形器件或噪声抑制器件，其特征在于：通过控制由于集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的可饱和吸收效应，器件对时域强度相对大的信号脉冲分量吸收少，对时域强度相对小的噪声分量吸收大，从而实现了脉冲整形和噪声抑制。

本发明与现有技术相比，其显著优点：这种非线性光学器件通过法布里－珀罗谐振腔实现了光学吸收、吸收光谱、调制深度等线性和非线性光学参数可控的特点，同时具有低成本，光学损伤阙值低，稳定性高，易集成等优点，并为按需生产光学可饱和吸收器件、光调制器件、脉冲整形或噪声抑制器件提供了条件。

附图说明

图1是含有第一间隔材料层、第二间隔材料层的集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的示意图。

图2是只含有第一间隔材料层的集成有单层超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的示意图。

图3是集成有n层超薄碳层及间隔材料层的法珀腔非线性光学器件光学器件的示意图。

图4是集成有n层超薄碳层及第二间隔材料层的法珀腔非线性光学器件光学器件的示意图。

图5是集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件光学参数调谐原理示意图。

图6是集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的制备流程。

图7是基于集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件（透射模式）的脉冲激光器。

图8是基于集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件（反射模式）的脉冲激光器。

图9是基于集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的光电调制器。

图10是基于集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的光电调制器的脉冲整形和噪声抑制器件示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图10，集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件光学参数调谐方式如下：

其中第一光学反射元件与第二光学反射元件的间距决定了集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的谐振频率或谐振波长。应当指出，术语“波长”和“频率”可以互换使用，而不影响本发明的原理的理解。波长（

）和频率（

）的关系是众所周知的方程，

，其中

是光在真空中的速度（约为3x10⁸m/s）。

方程

（1）

式（1）可用来计算集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的谐振波长；其中

是一个整数，

是器件中第一光学反射元件与第二光学反射元件之间间隔材料层和碳材料层的有效折射率，

是器件中第一光学反射元件与第二光学反射元件的空间间隔（即法珀腔长度）。集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的谐振频率的等效方程可以写作

。集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件相邻的两个谐振波长之间（即

与

代表的两个波长）的距离可以用如下方程表示：

（2）

一般情况下（常见工作波长如1550nm），一般情况下（常见工作波长如1550nm），这种关系可以简化表示

（3）

结合上述方程（1），通过调节间隔材料层的厚度可以调节对法珀腔腔长，从而控制集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的中心谐振波长及相邻的谐振波长之差（或称自由光谱范围）。当谐振波长与工作波长完全重合时，集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件可实现最大的光学吸收，使非线性光学效应最显著（如图3，“谐振吸收”）；反之当工作波长位于两个相邻谐振波长之间时，集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的光学吸收最少（如图3，“反谐振吸收”），对应非线性光学效应最弱。通过微调间隔材料层的厚度，可以精确调节调谐波长与工作波长的重合程度，从而精确调节集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的非线性光学参数，（如图3，“调谐吸收”）。

实施例一：结合附图2，一种基于化学气象淀积法（CVD）碳纳米管薄膜且第一光学反射元件为金镜，第二光学反射元件为氧化硅/氧化钛介质膜的集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的制备方法过程如下：选择金镜作为基底，先通过将聚乙烯醇1:50质量比的水溶液通过旋转涂布（spin coating）的方式（转速为2000转每分钟，持续时间10秒）涂满基底，再加热至60摄氏度并维持30分钟；然后转移一层通过CVD生长的碳纳米管薄膜；最后在5-20毫托氩气环境下，通过射频磁控溅射(sputtering，射频功率100-300瓦)依次沉积一层氧化硅和一层氧化钛。

实施例二：结合附图3，一种基于CVD石墨烯且第一光学反射元件为金镜，第二光学反射元件为氧化硅/氧化钛介质膜的集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的制备方法过程如下：选择金镜作为基底，在高真空环境下（压力约为0.04毫托），通过蒸镀方法(evaporation)沉积一层氧化铝（蒸镀电流为70mA，温度300摄氏度）；氧化铝的沉积速度约为每分钟200纳米，沉积厚度可通过蒸镀时间控制；然后转移4层通过CVD生长的石墨烯；之后再次蒸镀一层氧化铝；最后在5-20毫托氩气环境下，通过射频磁控溅射(sputtering，射频功率100-300瓦)依次沉积一层氧化硅和一层氧化钛。

实施例三：结合图7，泵浦源8可选用中心波长为第一波长值的半导体激光二极管；泵浦隔离器9，用于保护泵浦光源；泵浦耦合器10，用于将输入泵浦光导入环形腔内，可选用波分复用耦合器或环形器；增益介质11，用于将第一波长值的泵浦光转换为具有第二波长值的激光；增益介质为掺杂光纤，其掺杂离子包括钕、镱、镨、铋、铒、铥、钬中的一种或者多种；其光纤基质可包括石英、硅酸盐、磷酸盐、碲酸盐、氟化物；增益光纤结构可为单包层结构或双包层结构；隔离器12，用于使环形腔中激光传输具有单向性；如图2所示的集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件7工作于透射模式，用于生成锁模或调Q脉冲；输出耦合器13。

光纤激光器包括谐振腔、泵浦源8和泵浦隔离器9，谐振腔为环形腔，谐振腔包括由非掺杂光纤依次连接成环的泵浦耦合器10、增益介质11、隔离器12、输出耦合器13；还包括集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件7，泵浦隔离器9通过非掺杂光纤分别与泵浦源8和泵浦耦合器10连接，集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件7置于泵浦耦合器10与增益介质11之间，泵浦源8出射的泵浦光依次通过隔离器9、泵浦耦合器10、集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件7进入增益介质11，增益介质11的输出光在共振腔内依次通过泵浦耦合器10、输出耦合器13，部分光通过输出耦合器13输出谐振腔外，其余光继续沿光纤传输依次通过隔离器12、增益介质11，形成谐振。集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件7也可放置在增益介质11与隔离器12之间，或隔离器12与输出耦合器13之间，或泵浦耦合器10和输出耦合器13之间。

实施例四：结合附图8，泵浦源8可选用中心波长为第一波长值的半导体激光二极管；泵浦隔离器9，用于保护泵浦光源；泵浦耦合器10，用于将输入泵浦光导入环形腔内，可选用波分复用耦合器或环形器；增益介质11，用于将第一波长值的泵浦光转换为具有第二波长值的激光；增益介质为掺杂光纤，其掺杂离子包括钕、镱、镨、铋、铒、铥、钬中的一种或者多种；其光纤基质可包括石英、硅酸盐、磷酸盐、碲酸盐、氟化物；增益光纤结构可为单包层结构或双包层结构；隔离器12，用于使环形腔中激光传输具有单向性；如图2所示的集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件7工作于反射模式，用于生成锁模或调Q脉冲；输出耦合器13。

光纤激光器包括谐振腔、泵浦源8和泵浦隔离器9，谐振腔为环形腔，谐振腔包括由非掺杂光纤依次连接成环的泵浦耦合器10、增益介质11、隔离器12、输出耦合器13；还包括集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件7，泵浦隔离器9通过非掺杂光纤分别与泵浦源8和泵浦耦合器10连接，集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件7通过环形器15耦合于泵浦耦合器10与增益介质11之间，泵浦源8出射的泵浦光依次通过隔离器9、泵浦耦合器10、环形器15、集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件7、环形器15进入增益介质11，增益介质11的输出光在共振腔内依次通过泵浦耦合器10、输出耦合器13，部分光通过输出耦合器13输出谐振腔外，其余光继续沿光纤传输依次通过隔离器12、增益介质11，形成谐振。集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件7也可通过环形器15耦合于增益介质11与隔离器12之间，或隔离器12与输出耦合器13之间，或泵浦耦合器10与输出耦合器13之间。

实施例五：一种基于集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的光电调制器，如图9所示，集成有超薄碳层的法珀腔光电调制器件14包括集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件7和可调电压源，集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件7包括第一金属纳米薄膜反射镜2、第二金属纳米薄膜反射镜4、碳材料层3、第一间隔层5和第二间隔层6，第一金属纳米薄膜反射镜2和第二金属纳米薄膜反射镜4分别通过电极连接至可调电压源。通过调节电压产生的电场强度，集成有超薄碳层的法珀腔光电调制器件的线性及非线性光学吸收强度会产生相应的变化，从而实现了光-电调制。

实施例六：一种基于集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的光电调制器的脉冲整形和噪声抑制器件，器件结构如图1所示；器件的工作原理如图10所示，由于集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的可饱和吸收效应，器件对时域强度相对大的信号脉冲分量吸收少，对时域强度相对小的噪声分量吸收大，从而实现了脉冲整形和噪声抑制。

Claims

1.一种集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件，其特征在于：包括第一光学反射元件、第二光学反射元件、间隔材料层和碳材料层；第一光学反射元件和第二光学反射元件存在空间间隔形成法布里－珀罗谐振腔；碳材料层位于第一光学反射元件和第二光学反射元件之间；间隔材料层位于第一光学反射元件与碳材料层之间，或位于第二光学反射元件与碳材料层之间，或位于第一光学反射元件与碳材料层之间以及第二光学反射元件与碳材料层之间。

2.根据权利要求1所述的集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件，其特征在于：第一光学反射元件材料为介质多层反射膜或金属纳米薄膜，第二光学反射元件材料为介质多层反射膜或金属纳米薄膜，碳材料层为石墨、单层石墨烯、多层石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或无定型碳中的一种或多种碳材料依次叠加形成的复合结构，碳材料层厚度为0.3纳米-1微米；间隔材料层材料为高聚物透明材料、透明氧化物陶瓷或透明非氧化物陶瓷，间隔材料层厚度为50纳米-200微米。

3.根据权利要求2所述的集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件，其特征在于：介质多层反射膜材料优选硫化锌、氟化镁、氟化钇、氧化钽、砷化镓、砷化铝、无定型硅、无定型锗、氧化铂、氧化钛或氧化硅；金属纳米薄膜材料优选金、银或铝；高聚物透明材料优选聚乙烯醇、聚丙烯酸胺、聚甲基丙烯酸甲酯或纤维素；透明氧化物陶瓷优选氧化铝、氮氧化铝，氧化镁、氧化铍、氧化钇或氧化钇-二氧化锆；透明非氧化物陶瓷优选砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁或氟化钙。

4.根据权利要求1所述的集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的制备方法，其特征在于：在第一光学反射元件上生长或沉积间隔材料层作为基底，或将第一光学反射元件作为基底；将碳材料层依次沉积到上述基底上或将生长好的单层或多层碳材料依次转移到基底上；在碳材料层上再生长或沉积间隔材料层，再在第二次生长的间隔材料上生长或沉积第二光学反射元件，或直接在碳材料层上生长或沉积第二光学反射元件；至少含有一个间隔材料层。

5.根据权利要求4所述的集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的制备方法，其特征在于：间隔材料的生长或沉积方法为热蒸镀、电子束蒸镀、脉冲激光沉积、分子束外延、原子层沉积或化学气相沉积；光学反射元件的生长或沉积方法优选磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延、原子层沉积或化学气相沉积。

6.根据权利要求4所述的集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的制备方法，其特征在于：第一光学反射元件材料优选介质多层反射膜或金属纳米薄膜，第二光学反射元件材料优选介质多层反射膜或金属纳米薄膜，碳材料层为石墨、单层石墨烯、多层石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或无定型碳中的一种或多种碳材料依次叠加形成的复合结构，碳材料层厚度为0.3纳米-1微米；间隔材料层厚度为50纳米-200微米，间隔材料层材料为高聚物透明材料、透明氧化物陶瓷或透明非氧化物陶瓷。

7.根据权利要求6所述的集成有超薄碳层的法珀腔非线性光学器件的制备方法，其特征在于：介质多层反射膜材料优选硫化锌、氟化镁、氟化钇、氧化钽、砷化镓、砷化铝、无定型硅、无定型锗、氧化铂、氧化钛或氧化硅；金属纳米薄膜材料优选金、银或铝；高聚物透明材料优选聚乙烯醇、聚丙烯酸胺、聚甲基丙烯酸甲酯或纤维素；透明氧化物陶瓷优选氧化铝、氮氧化铝，氧化镁、氧化铍、氧化钇或氧化钇-二氧化锆；透明非氧化物陶瓷优选砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁或氟化钙。