CN104466646A - 一种基于黑磷的实用化可饱和吸收器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于黑磷的实用化可饱和吸收器件，属于激光器的可饱和吸收器件领域。基于黑磷的实用化可饱和吸收器件，由上述四层材料组合而成、或其中三层材料相互组合而成、或相互组合的上述四层材料与四层材料上下任意增加的功能性插层组合而成、或可饱和吸收层任意与其中一层材料组合、或由可饱和吸收层组成而成；可饱和吸收层含有黑磷薄膜、黑磷纳米片层颗粒、黑磷衍生物和官能化黑磷中的至少一种材料。本发明提供的基于黑磷的实用化可饱和吸收器件，实现激光器的调Q和锁模、光信号处理等应用，更重要的是发挥黑磷的特性可以灵活地调节调制深度的功效。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于黑磷的实用化可饱和吸收器件，属于激光器的可饱和吸收器件领域。
背景技术
目前市场上主要使用的可饱和吸收器件是半导体可饱和吸收镜（SESAM）。但是，半导体可饱和吸收镜存在很多难以克服的缺点。首先，SESAM需要复杂且昂贵的基于洁净室的制造系统，制造工艺复杂，成本高；其次，由于Ⅲ-Ⅳ族半导体的固有带隙，饱和吸收光谱范围狭窄，基本局限在近红外波段，对于中、远红外波段，目前没有可用的SESAM；第三，SESAM的光损伤阈值也很低，很难应用在高功率激光领域中。
近年，石墨烯被发现可作为一种新型的可饱和吸收体用于激光器调Q、锁模、光信号处理或者脉冲整形。石墨烯和单壁碳纳米管(SWCNT)都是新型碳纳米材料，它们都具有易于制作，成本低，光损伤阈值高等优点，是受到该领域关注较多的可替代SESAM的新型可饱和吸收体材料。然而制作SWCNT可饱和吸收体时，由于其容易团簇，导致难以分散；而其不均匀的手型性质对于可饱和吸收体的光学性质的精确控制存在固有问题，且限制了饱和吸收的带宽。而使用石墨烯作为可饱和吸收体时，尽管其由于零带隙而拥有宽波段可饱和吸收特性，但是单层石墨烯的光吸收较低(2.3%)，较难应用在激光器中，而现有技术实现制备多层高质量工艺难度大，制备过程中往往存在膜层分布不均匀导致非饱和损耗增大、激光器泵浦阈值高的问题。
黑磷(black phosphorus)为直接带隙材料，单原子层黑磷的带隙为2 eV，多原子层黑磷的带隙为0.3 eV，可通过改变黑磷的厚度来调节其带隙，可以使吸收波长从500 nm到4100 nm之间变化，适用于从可见光到中红外波段的激光器应用。它是一种非常有潜力的超宽带可饱和吸收材料，相比碳纳米管而言，它可以实现更宽波段的吸收；相比石墨烯而言，它有更大的共振吸收(20%-30%)。实验证明，黑磷有潜力替代SESAM成为超短脉冲光纤激光器和固体激光器的实用有效的可饱和吸收体材料。
发明内容
本发明针对上述不足提供一种基于黑磷的实用化可饱和吸收器件。可饱和吸收器件在所述的激光腔中提供锁模、调Q、光脉冲整形、光开关和光信号处理中至少一种功能。可应用于光纤激光器环形腔或者线性腔、V型腔的结构中，或者用于固体激光器、半导体激光器中。
本发明采用如下技方案：
本发明所述的一种基于黑磷的实用化可饱和吸收器件，包括基底层、高反层、可饱和吸收层与功能层；该可饱和吸收器件由上述四层材料相互组合而成、或其中三层材料相互组合而成、或相互组合的上述四层材料与四层材料上下任意增加的功能性插层组合而成、或可饱和吸收层任意与其中一层组合而成、或由可饱和吸收层组成而成；所述的可饱和吸收层含有黑磷薄膜、黑磷纳米片层颗粒、黑磷衍生物和官能化黑磷中的至少一种材料。
本发明所述的基于黑磷的实用化可饱和吸收器件，所述的饱和吸收器件的基底层或基底上的插层放置在铜基或者中心开孔的铜基上；所述的饱和吸收器件的可饱和吸收层与光纤尾纤端面相连。
有益效果
本发明提供的基于黑磷的实用化可饱和吸收器件，实现激光器的调Q和锁模、光信号处理等应用，更重要的是发挥黑磷的新特性可以灵活地调节调制深度的功效。
黑磷(black phosphorus)作为一种新型的可饱和吸收体可以用于激光器调Q、锁模、光信号处理或者脉冲整形。它是一种二维层状原子晶体材料，具有极高的载流子迁移率和优异的光学性质，可实现较低的非饱和吸收损耗和较低的饱和吸收强度；相对于其他材料，另外黑磷具有更大的共振吸收。黑磷为直接带隙材料，具有一定的能带带隙，单原子层黑磷的带隙为2 eV，多原子层黑磷的带隙为0.3 eV，应用上通过改变黑磷的厚度即可以调控其带隙，从而使吸收波长从500 nm到4100 nm之间变化，适用于从可见光到中远红外波段的激光器。它是一种非常有潜力的超宽带可饱和吸收材料，可以替代SESAM成为超短脉冲激光器的实用有效的可饱和吸收材料。
本发明器件可以发展成高效的透射型、反射型、耦合输出型，可以用本发明技术方案发展从可见光到中红外波长的器件，甚至可以扩展到更广泛的波长范围，极大的拓展了二维层状材料在激光调Q、锁模、光信号处理等领域的应用。
附图说明
图1是本发明的一种透射型可饱和吸收器件的结构示意图；
图2是本发明的一种反射型可饱和吸收器件的结构示意图
图3是本发明的一种耦合输出型可饱和吸收器件的结构示意图
图4为透射型可饱和吸收器件与光纤结合结构示意图；
图5为反射型可饱和吸收器件与光纤结合结构示意图；
图6为透射型可饱和吸收器件与中心开孔铜基结合结构示意图；
图7为反射型可饱和吸收器件与中心开孔铜基结合结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明：
如图所示：本发明所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，包括基底层、高反层、可饱和吸收层与功能层；该可饱和吸收器件由上述四层材料相互组合而成、或其中三层材料相互组合而成、或相互组合的上述四层材料与四层材料上下任意增加的功能性插层组合而成、或可饱和吸收层任意与其中一层组合而成、或由可饱和吸收层3组成而成。进一步来讲，该可饱和吸收器件可以由上述四个层中的一个层、二个不同层、三个不同层、四个不同层、五个不同层甚至多个不同层组合而成，但这之中必须包含一个可饱和吸收层，所述的可饱和吸收层3含有黑磷薄膜、黑磷纳米片层颗粒、黑磷衍生物和官能化黑磷中的至少一种材料。官能化黑磷是指用化学、电化学、或等离子处理等方法使黑磷的表面获得特定化学基团从而实现特定的功能。
进一步地，所述的饱和吸收层可以是单独由黑磷构成，也可以是黑磷与其他材料的异质结构薄膜，这里的可以选择进行异质叠加的材料有：石墨烯、石墨烯衍生物（石墨烷、石墨炔等）、BN、过渡金属硫化物（MoS2、WS2、WSe2等）、拓扑绝缘体材料（Bi2Se3，Bi2Te3或Sb2Te3等）的单层、双层或多层薄膜构成，又或者由石墨烯、石墨烯衍生物（石墨烷、石墨炔等）、BN、过渡金属硫化物（MoS2、WS2、WSe2等）、拓扑绝缘体材料（Bi2Se3，Bi2Te3或Sb2Te3等）中两种或两种以上叠层异质结构薄膜等。
优选地，功能层可以是与光纤折射率匹配的材料构成，如：二氧化硅、二氧化钛、三氧化二铝等，也可以是具有增透作用的材料构成，也可以具有高反射特性的材料构成，或者是能保护可饱和吸收层的材料构成。功能层材料和功能性插层材料可以相同也可以不同，具体材料可根据器件需要的功能选择，功能层和功能性插层使本专利的可饱和吸收器件具有良好的扩展性。
典型地，所述的高反层由金属材料或半导体材料或介质材料中的两种或两种以上材料组合而制成：所述的金属材料采用：金或银或铜或铝或镍或锗或铬；所述的半导体材料采用AlGaAs或InGaAs或砷化镓或砷化铝等砷化物或硅；所述的介质材料采用氧化物或氟化物（如CaF2，MgF2等）或硫化物或氮化物或硒化物。
本发明所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，所述的不同类型的饱和吸收器件的基底或减反层放置在铜基或者中心开孔的铜基上；
所述的不同类型饱和吸收器件的可饱和吸收层或功能层与光纤尾纤端面相连；光纤可以为单模光纤、掺稀土光纤、色散补偿光纤、色散位移光纤、光子晶体光纤、高非线性光纤、锗硅酸盐光纤、磷酸盐光纤、碲化物光纤、氟化物光纤或硫化物光纤等。
所述的基底由玻璃或硅或二氧化硅或碳化硅或石英或蓝宝石或砷化镓、砷化铝或氟化物或硒化物或硫化物或氧化物介质材料制成。
制备黑磷可饱和吸收体材料的非穷举性方法包括微机械剥离法、化学插层剥离法、电化学剥离法、外延生长法、物理气相沉积、化学气相沉积、化学反应合成法等；构建黑磷可饱和吸收体器件所使用的将黑磷与基底层或光纤结合的非穷举性方法包括溶液法（如旋涂、喷涂、滴涂、浸涂黑磷的分散溶液等）、光学吸附沉积、物理或者化学气相沉积。可将黑磷与其它母体薄膜材料复合组装成可饱和吸收体器件用于激光器锁模、调Q或相关的信号处理器件；母体薄膜材料的选取考虑以下因素：
（1）在感兴趣的波长范围中的透明性
（2）传播损耗的减少
（3）与黑磷材料的低折射率失配性
（4）良好的热和环境稳定性
母体薄膜材料的非穷举性名单包括聚乙烯醇（PVA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）、 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、有机染料、无机材料、石墨烯等。
把黑磷封装在母体薄膜材料中，使黑磷与外界氧气隔离，可以防止光氧化和高功率激光器引起的光学漂白，这对于发展不随时间而性能退化的有机光学部件非常重要；而且，母体薄膜的形貌结构远小于工作波长从而降低了散射损耗。同时，也可以将黑磷功能化来改善与母体薄膜材料的化学兼容性，提高机械和热性能的同时调整光学性能。
封装后的黑磷可以接入到不同载体或介质中，例如金属高反镜或介质高反镜、光纤、光学玻璃、铜基等，形成实用化的可饱和吸收器件。
实施例一
将用机械剥离的方法获得黑磷纳米片层作为可饱和吸收层，饱和吸收层外包覆一层母体薄膜材料作为功能层，母体薄膜材料如聚乙烯醇（PVA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯（PS）、 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、有机染料、无机材料、金属氧化物、氟化物、钙化物、石墨烯等，形成由可饱和吸收层与功能层构成的透射型饱和吸收器件，如图1所示。或者可以通过黑磷与其他材料混合制膜形成直接的透射型可饱和吸收器件。
实施例二
选择由金属、玻璃或硅或二氧化硅或碳化硅或石英或蓝宝石或砷化镓、砷化铝或氟化钙或硒化物或氧化物介质材料之一作为基底，在基底上布置金属高反层或者介质高反层或者金属与介质异质高反层，在高反层上布置黑磷薄膜或者黑磷纳米片层或者黑磷衍生物或者黑磷与石墨烯、石墨烯衍生物（石墨烷、石墨炔等）、BN、过渡金属硫化物（MoS2、WS2、WSe2等）、拓扑绝缘体材料（Bi2Se3，Bi2Te3或Sb2Te3等）等二维层状材料组成异质结构层作为可饱和吸收层，在可饱和吸收层上布置类似实施例一中的母体薄膜材料作为功能层或者保护性功能层，这样就形成四层结构的反射型可饱和吸收器件，如图2所示。
实施例三
选择反射率低、透光率高的材料作为基底层，在基底层上依次布置反射率相对低一些的高反层、可饱和吸收层、功能层，在基底层的另一端面布置减反功能层或者增透功能层，这样就形成了本专利的耦合输出型可饱和吸收器件，如图3所示。实例三实际上是在四层结构上增加了功能型插层的一个方案。在其他的层增加功能性插层的方案就不一一列举了。
本专利中的各种类型的器件均可以与光纤或者铜基或中心开孔的铜基结合形成实用化的器件，应用于锁模、调Q、光脉冲整形、光开关和光信号处理等领域。本领域普通技术人员无需创造性劳动可以根据本发明做出诸多修改和变化。因此，凡本领域技术人员依本发明的构思在现有技术上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在权利要求书所确定的范围内。
Claims (2)
1.一种基于黑磷的实用化可饱和吸收器件，包括基底层（1），高反层（2），可饱和吸收层（3）与功能层（4）；该可饱和吸收器件由上述四层材料组合而成、或其中三层材料相互组合而成、或相互组合的上述四层材料与四层材料上下任意增加的功能性插层组合而成、或可饱和吸收层（3）任意与其中一层材料组合、或由可饱和吸收层（3）组成而成；其特征在于：所述的可饱和吸收层（3）含有黑磷薄膜、黑磷纳米片层颗粒、黑磷衍生物和官能化黑磷中的至少一种材料。
2.根据权利要求1中所述的基于黑磷的实用化可饱和吸收器件，其特征在于：所述的可饱和吸收器件的基底层（1）或基底上的插层放置在铜基或者中心开孔的铜基上；所述的可饱和吸收器件的可饱和吸收层（3）与光纤尾纤端面相连。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |