CN103904544B - 二维层状材料可饱和吸收体器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二维层状材料可饱和吸收体器件，包括一基底，所述基底为镀有背电极的高反射镜，高反射镜上依次设置有介质层、二维层状可饱和吸收材料，所述二维层状可饱和吸收材料上蒸镀有电极，所述电极与所述背电极之间设置有电压源，所述二维层状可饱和吸收材料上方设置一附着有可饱和吸收器件的光纤尾纤。这种方法不但继承了二维层状饱和吸收体的优点，如高性能、低制作成本和易于整合等，而且可以通过调节栅压，自由调节激光器锁模的启动阈值，实现CW光和Pulse光的快速切换。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，具体涉及一种二维层状材料可饱和吸收体器件及其制备方法，尤其涉及一种用于光纤激光器中调Q、锁模、光信号处理的可饱和吸收器件及其制备方法。
背景技术
近年来，锁模光纤激光器作为块状固体激光器的替代品，以其优秀的光束质量，小型化、集约化的器件结构，易于散热，易于整合到光纤通信系统中的优良特性，在微加工、光通讯、医疗、科研等多领域引起了广泛关注和应用。其中，锁模器件作为构成锁模光纤激光器的重要部分，其特性直接影响了激光器的性能。目前市场上，锁模光纤激光器中使用的锁模器件主要为基于Ⅲ-Ⅴ族半导体的半导体可饱和吸收镜（SESAM）。但是，SESAM存在许多难以克服的缺点。首先，SESAM需要复杂且昂贵的制造系统，制造工艺复杂，成本高；其次，由于Ⅲ-Ⅴ族半导体具有固有带隙，其饱和吸收光谱范围狭窄；再次，SESAM的光损伤阈值低，很难应用在高功率激光领域中。近年来，单壁碳纳米管（SWCNT）和以石墨烯为代表的二维层状材料是受到该领域关注较多的两类替代SESAM的新型可饱和吸收体材料。SWCNT和石墨烯都具有电子弛豫时间短、易于制作、成本低、光损伤阈值高的优点。与石墨烯相比，SWCNT的不均匀的手型性质导致了难于精确地控制可饱和吸收体的性质，并且限制了饱和吸收的带宽。对于石墨烯等二维层状材料而言，如何降低锁模启动阈值是这类可饱和吸收体实现市场应用的一个非常重要的任务。此外，如何实现连续光（CW）和脉冲光（pulse）输出的快速切换，也是锁模光纤激光器领域亟需解决的一个问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种二维层状材料可饱和吸收体器件及其制备方法，这种方法不但继承了二维层状饱和吸收体的优点，如高性能、低制作成本和易于整合等，而且可以通过调节栅压，自由调节激光器锁模的启动阈值，实现CW光和Pulse光的快速切换。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种二维层状材料可饱和吸收体器件，包括一基底，所述基底为镀有背电极的高反射镜，高反射镜上依次设置有介质层、二维层状可饱和吸收材料，所述二维层状可饱和吸收材料上蒸镀有电极，所述电极与所述背电极之间设置有电压源，所述二维层状可饱和吸收材料上方设置一附着有可饱和吸收器件的光纤尾纤。
优选的，所述二维层状可饱和吸收材料为石墨烯、硅烯、WS2、MoS2、Bi2Te3、Bi2Se3或Sb2Te3。
优选的，所述二维层状可饱和吸收材料为石墨烯、硅烯、WS2、MoS2、Bi2Te3、Bi2Se3或Sb2Te3中两种或三种材料的叠层异质结构。
优选的，所述介质层为二氧化硅，二氧化钛或三氧化二铝制成，其厚度为20-400nm。
进一步的，所述高反射镜对可见光到近红外波段的激光具有95%以上的反射率。
一种二维层状材料可饱和吸收体器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1）在硅衬底上覆盖一层高反射银膜；
步骤2）在高反射银膜覆盖的硅衬底上蒸镀一层介质层；
步骤3）将生长完成的二维层状可饱和吸收材料转移到介质层上；
步骤4）在二维层状可饱和吸收材料上用磁控溅射法蒸镀一层电极；
步骤5）在电极与高反射银膜之间施加电压。
优选的，所述电极为金、银或钛制成。
优选的，所述电压由声光调制器供给。
优选的，所述介质层为二氧化硅，二氧化钛或三氧化二铝制成，其厚度为20-400nm。
本发明的有益效果是:
1、本发明使用石墨烯、硅烯、石墨烯衍生物、及WS2、MoS2、Bi2Te3、Bi2Se3或Sb2Te3等二维层状材料组成的叠层异质结构作为新型可饱和吸收体材料，并且使用镀有介电材料的反射镜作为基底，制成可以通过外加栅压调控器件饱和吸收特性的可饱和吸收体，用于取代传统的SESAM饱和吸收体。这种方法不但继承了二维层状饱和吸收体的优点，如高性能、低制作成本和易于整合等，而且可以通过调节栅压，自由调节激光器锁模的启动阈值，实现CW光和Pulse光的快速切换。
2、二维层状原子晶体材料通常体现出其相应的体材料中所没有的性质。以石墨烯为代表，其体现出独特的零带隙能带结构和超快的电子弛豫时间，因此具有超宽的饱和吸收光谱和超短的脉冲输出特性。石墨烯满足飞秒级超短脉冲输出及若干皮秒尺度或更短快速恢复时间的要求，适用于超快锁模激光器。而其它二维层状原子晶体材料，典型的代表如MoS2，具有极高的载流子迁移率和优秀的光学性质，可实现较低的不饱和损耗，较高的转换效率，有潜力在特定波段成为SESAM可饱和吸收体的替代品。此外，这些二维材料制备简单，价格低廉，易于转移到基底，进而整合到激光腔当中。它们的机械性能也非常突出，光损伤阈值高，在高功率光纤激光器中也具有应用潜力。
3、将二维层状可饱和吸收材料转移到镀有SiO2介质材料的高反射镜上，并且通过外加电压或者声光调制器，调节可饱和吸收体的费米能级，达到调节激光器锁模阈值和CW/Pulse光信号输出灵活切换的功能。同时还可以降低激光器的锁模阈值，实现在输入泵浦很低的情况下产生脉冲光，应用于小功率光纤锁模激光器。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为二维层状材料可饱和吸收体器件结构示意图；
图2为二维层状可饱和吸收体的石墨烯示意实例；
图3为二维层状材料可饱和吸收体器件的制备示意图1；
图4图3为二维层状材料可饱和吸收体器件的制备示意图2；
图5为可饱和吸收器件以反射形式添加到激光谐振腔中的示例；
图6为可饱和吸收器件的另一种结构以及可饱和吸收器件以反射形式添加到激光谐振腔中的另一个示例；
图7为具有线性腔的光纤激光器示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参照图1所示，一种二维层状材料可饱和吸收体器件，包括一基底，所述基底为镀有背电极41的高反射镜5，所述高反射镜5对可见光到近红外波段的激光具有95%以上的反射率。
高反射镜5上依次设置有介质层3、二维层状可饱和吸收材料2，介质层3为二氧化硅、二氧化钛或三氧化二铝制成，其厚度为20-400nm；所述二维层状可饱和吸收材料2为石墨烯、硅烯、WS2、MoS2、Bi2Te3、Bi2Se3或Sb2Te3；所述二维层状可饱和吸收材料2为石墨烯、硅烯、WS2、MoS2、Bi2Te3、Bi2Se3或Sb2Te3中两种或三种材料的叠层异质结构。二维层状可饱和吸收材料2描述的是有关材料而不受用来制备所属材料的方法的限制，所述方法包括机械剥离、外延生长、化学气相沉积和化学加工（溶液加工）法以及激光烧蚀和过滤阴极电弧法。
所述二维层状可饱和吸收材料2上蒸镀有电极6，所述电极6与所述背电极41之间设置有电压源7，所述二维层状可饱和吸收材料2上方设置一附着有可饱和吸收器件8的光纤尾纤1。
入射光以光纤尾纤1为传输介质照射到可饱和吸收器件8上，再反射回光纤当中，可饱和吸收器件8以反射模式运行。
参照图2所示，图2是二维层状可饱和吸收体石墨烯转移到覆盖有100nm厚的二氧化硅的金的反射镜上的示意实例，该石墨烯是通过化学气相沉积方法（CVD）生长在铜箔表面形成的。用这种方法生长的石墨烯是连续的，具有均匀的厚度并与铜箔的尺寸一样大，很容易就可以找到厚度相同，连续的直径超过单模光纤直径6.5μm的区域。这种石墨烯可以很容易地转移到平整的SiO2/Au表面。
参照图3、图4所示，一种二维层状材料可饱和吸收体器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1）在硅衬底上覆盖一层高反射银膜；
步骤2）在高反射银膜覆盖的硅衬底上蒸镀一层100nm厚的二氧化硅介质层；
步骤3）将生长完成的二维层状可饱和吸收材料转移到二氧化硅介质层上；
步骤4）在二维层状可饱和吸收材料上用磁控溅射法蒸镀一层金、银或钛制成的电极；
步骤5）在电极与高反射银膜之间施加电压，电压可以由声光调制器供给。
参照图5所示，图5是可饱和吸收器件8以反射形式添加到激光谐振腔中的图片实例。光纤尾纤1垂直于饱和吸收器件8表面。光纤尾端可以用FC/PC接口作为尾端，也可以用SMA等接口，或者裸纤输出。光纤末端小面12垂直接触二维可饱和吸收材料2。激光通过光纤10传输至光纤头11，经由光纤末端小面12，垂直入射到可饱和吸收器件8上。该光纤可以是普通单模光纤，也可以是多模光纤。激光透过受电压控制的二维可饱和吸收材料2时，实现锁模，并通过高反射银膜4，反射回光纤尾纤1中，实现光纤谐振腔的振荡回路。
参照图6所示，图6是可饱和吸收器件8的另一种结构以及可饱和吸收器件8以反射形式添加到激光谐振腔中的另一个示例。在二维材料饱和吸收层2上采用磁控溅射等方法蒸镀一层互不相连的金、银、钛或其他金属电极14和15，分别作为两个独立电极。在两个电极14和15之间以及电极14和高反射银膜4之间分别施加电压，该电压可以由声光调制器或电压源供给。激光通过物镜20垂直入射在可饱和吸收器件8上。激光透过受电压控制的二维可饱和吸收材料2时，实现锁模，并通过高反射银膜4，反射回物镜20中，实现光纤谐振腔的振荡回路。
图7是具有线性腔100的光纤激光器314的示意图。光纤激光器314通过基于可调二维材料的可饱和吸收器件8用于锁模和调Q。可饱和吸收器件8以反射方式运行。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种二维层状材料可饱和吸收体器件，其特征在于：包括一基底，所述基底为镀有背电极（41）的高反射镜（5），高反射镜（5）上依次设置有介质层（3）、二维层状可饱和吸收材料（2），所述二维层状可饱和吸收材料（2）上蒸镀有电极（6），所述电极（6）与所述背电极（41）之间设置有电压源（7），所述二维层状可饱和吸收材料（2）上方设置一附着有可饱和吸收器件（8）的光纤尾纤（1），所述高反射镜（5）对可见光到近红外波段的激光具有95%以上的反射率。
2.根据权利要求1所述的二维层状材料可饱和吸收体器件，其特征在于：所述二维层状可饱和吸收材料（2）为石墨烯、硅烯、WS2、MoS2、Bi2Te3、Bi2Se3或Sb2Te3。
3.根据权利要求1所述的二维层状材料可饱和吸收体器件，其特征在于：所述二维层状可饱和吸收材料（2）为石墨烯、硅烯、WS2、MoS2、Bi2Te3、Bi2Se3或Sb2Te3中两种或三种材料的叠层异质结构。
4.根据权利要求1所述的二维层状材料可饱和吸收体器件，其特征在于：所述介质层（3）为二氧化硅、二氧化钛或三氧化二铝制成，其厚度为20-400nm。
5.一种二维层状材料可饱和吸收体器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1）在硅衬底上覆盖一层高反射银膜；
步骤2）在高反射银膜覆盖的硅衬底上蒸镀一层介质层；
步骤3）将生长完成的二维层状可饱和吸收材料转移到介质层上；
步骤4）在二维层状可饱和吸收材料上用磁控溅射法蒸镀一层电极；
步骤5）在电极与高反射银膜之间施加电压。
6.根据权利要求5所述的二维层状材料可饱和吸收体器件的制备方法，其特征在于：所述电极为金、银或钛制成。
7.根据权利要求5所述的二维层状材料可饱和吸收体器件的制备方法，其特征在于：所述电压由声光调制器供给。
8.根据权利要求5所述的二维层状材料可饱和吸收体器件的制备方法，其特征在于：所述介质层为二氧化硅、二氧化钛或三氧化二铝制成，其厚度为20-400nm。
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Denomination of invention: Two dimensional layered material saturable absorber device and its preparation method Granted publication date: 20170208 Pledgee: Ningbo Bank Co.,Ltd. Nanjing Branch Pledgor: Nanjing Kenai Laser Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980015711 |