CN105490146B - 三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件 - Google Patents

三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件，使用零带隙、线性能量色散关系的三维狄拉克半金属材料作为可饱和吸收层，工作波长覆盖红外区域，并且多种参数具有高度可调控性；器件包括由三维狄拉克半金属材料构成的可饱和吸收层和承载该可饱和吸收层所需的光学元件。其中反射型可饱和吸收器件由上至下的如下材料分布：功能层(1)、光学衬底(2)、可饱和吸收层(3)和反射层(4)构成；透射型可饱和吸收器由功能层(1)、光学衬底(2)和可饱和吸收层(3)组成；工作波长覆盖红外区域，基于这种三维狄拉克半金属材料可饱和吸收器件的红外调Q和锁模激光器具有稳定性高、工作波长可调谐、输出功率大等优点。

Description

三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件
技术领域
本发明有关于一种基于三维狄拉克半金属材料的红外可饱和吸收器件，属于激光器技术领域。
背景技术
红外脉冲激光在光谱、自由空间通信、医药学和精确外科手术等领域具有极高的应用价值。红外脉冲激光的产生主要有主动和被动两种方式，其中被动方式由于具有无需外部电控器件，且生成的脉冲更短，所以备受人们青睐。
可饱和吸收器件是实现被动方式脉冲激光产生的核心器件。该器件的光吸收率随入射光功率增大而减小，具有显著的光学可饱和吸收特征。目前工艺上比较成熟的可饱和吸收器件是半导体可饱和吸收镜(SESAMs)。SESAMs一般为多量子阱结构，并具有多种光学参数调控方案。例如，可以通过降低材料的生长温度来调控器件的弛豫时间。但是SESAMs的常用材料体系GaAs、InP等，其工作波长仅能覆盖近红外波段(<1.5μm)。虽然近年来也曾出现过一些改进方案，但是其工作波长仍然没有延伸到长波长的红外波段，特别是3μm及以上波段。
近年来，诸如碳纳米管、石墨烯、准二维拓扑绝缘体、二维过渡金属硫化物、黑磷之类的低维纳米材料展现出了优秀的宽带光学可饱和吸收特性，但是由这些低维材料在制备时大多使用液相剥离或者后转移方法，在器件中不可避免的引入大量的缺陷，使得材料的结晶质量难以控制，大大降低了器件的可重复性，并且尚没有可靠的非线性光学参数的调控方案提出。这种现状限制了红外脉冲激光的产生和优化，远远不能满足人们对红外脉冲激光的需求。
发明内容
为了解决以上问题，本发明的目的在于，提供一种可靠的、参数可调控的红外可饱和吸收器件。使用本发明提供的三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件，可以实现红外激光的锁模或调Q，从而产生稳定、高度可重复的大功率脉冲激光输出。本发明还具体的提供了基于三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件的锁模或调Q脉冲激光器的技术方案。
实现本发明目的技术解决方案为：一种三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件，在于使用零带隙、线性能量色散关系的三维狄拉克半金属材料作为可饱和吸收层，工作波长覆盖红外区域，并且多种参数具有高度可调控性；器件包括由三维狄拉克半金属材料构成的可饱和吸收层和承载该可饱和吸收层所需的光学元件。
所述的三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件具有反射型和透射型两种模式；反射型可饱和吸收器件由上至下的如下材料分布：功能层(1)、光学衬底(2)、可饱和吸收层(3)和反射层(4)构成；透射型可饱和吸收器由功能层(1)、光学衬底(2)和可饱和吸收层(3)组成；其中，所述的功能层(1)包含光学镀膜和钝化层；其中，光学镀膜既是单层镀膜或多层镀膜，镀膜材料选用锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、硒化锌(ZnSe)、硫化锌(ZnS)、氟化镁(MgF2)、二氧化钛(TiO2)、氧化锆(ZrO)等材料中的一种或几种，并且通过控制镀膜的厚度和材料组合使这些光学镀膜在工作波长具有不同的反射率，从而调控器件的可饱和光强；光学镀膜的厚度是0.001-100微米。
三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件中的功能层(1)包含光学镀膜和钝化层，通过激光脉冲沉积、磁控溅射和热蒸发等方法实现；所述的钝化层选用二氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)等，钝化层厚度是0.01-100微米。
三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件中的光学衬底(2)要求在红外光谱范围内高度透明，光学衬底包括二氧化硅(SiO2)、砷化镓(GaAs)、氧化铝(Al2O3)、氟化钙(CaF2)和云母等，衬底厚度是0.1-10毫米。
三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件中的反射层(4)可以是宽带的金属镜面，包括金镜、银镜和铝镜等；也可以是特定波长范围的全反射布拉格光栅镜或者高反射率的光学镀膜。
所述的可饱和吸收层(3)是三维狄拉克半金属材料，包括砷化镉(Cd3As2)和铋化钠(Na3Bi)、铋化钾(K3Bi)和铋化铷(Rb3Bi)等，吸收层厚度是1-1000纳米。
三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件的制备方法，功能层(1)，包括锗，砷化镓，硒化锌，硫化锌，氟化镁，二氧化钛和氧化锆光学镀膜和二氧化硅或氧化铝钝化层通过激光脉冲沉积、磁控溅射和热蒸发方法直接镀膜在红外光谱范围内高度透明光学衬底(2)的一侧；在光学衬底(2)的另一侧使用分子束外延技术生长高结晶质量的三维狄拉克半金属薄膜；最后，再次使用激光脉冲沉积、磁控溅射和热蒸发等技术在三维狄拉克半金属材料的表面镀上反射层(4)和功能层(1)。
其中，一个示例性的制备流程是：使用激光脉冲沉积将在双面抛光的砷化镓衬底(2)的一侧沉积了功能层(1)，包括光学增透膜和Al2O3钝化层。然后再使用分子束外延技术在GaAs衬底的另一侧生长了200nm三维狄拉克半金属Cd3As2薄膜(3)，最后使用电子束蒸发在Cd3As2表面蒸镀了1微米的金膜(4)。在该示例中，Cd3As2薄膜分子束外延生长的具体条件如下：使用纯度为～99.999％(5N)镉源和砷源，在设备腔室初始压强约为10-8mbar；衬底温度～200℃的条件下生长Cd3As2薄膜。我们使用高能电子反射(RHEED)原位监控薄膜的生长速率，并将薄膜的生长速率控制在～1nm/分钟。分子束外延(MBE)在高真空环境中生长，可以通过精确控制材料的生长时间、速率(0.1-10nm/分钟)和衬底温度(150-250℃)等条件来设计并调整可饱和吸收层的非线性光学参数，从而制备不同调制深度、非线性损耗的红外可饱和吸收器件。
使用分子束外延生长三维狄拉克半金属材料的过程中，还可以对其进行元素掺杂，通过控制元素掺杂浓度，可以调控该可饱和吸收器件的弛豫时间，优选的掺杂元素有Cr、In、Na和K等。通过精确控制材料的生长时间、速率和温度等条件来设计并调整可饱和吸收器件的非线性光学参数，从而制备不同调制深度、非线性损耗的红外可饱和吸收器件。典型的掺杂浓度原子百分比为0.01％-10％。
三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件在半导体脉冲激光器、固体脉冲激光器或光纤脉冲激光器中的应用。
有益效果，本发明提供的三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件与现有技术相比，其显著优点在于，可饱和吸收层由零带隙并具有线性能量色散关系的三维狄拉克半金属材料组成，使得该器件可以覆盖到长波长的红外波段，并且弛豫时间和饱和光强等非线性光学参数高度可控。该可饱和吸收器件的如上特点是现有技术所不具备的，因此该器件可以在红外波段实现稳定、高度可重复并且波长可调控的脉冲输出。
附图说明
图1是三维狄拉克半金属材料Cd3As2在2μm波长处的可饱和吸收曲线。
图2是三维狄拉克半金属材料Cd3As2在4.5μm波长处的光生载流子弛豫曲线。
图3是实施例一中反射型三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件的示意图。
图4是实施例二中透射型三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件的示意图。
图5是实施例三中基于三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件的外半导体脉冲激光器的示意图。
图6和图7是实施例四中基于三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件的固体脉冲激光器的示意图。
图8和图9是实施例五中基于三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件的光纤脉冲激光器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
钝化层选用高度透明的环境友好型材料，如二氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)等。这些材料在室温和大气环境极其稳定、硬度大、不含有毒害物质或元素，既可以保护光学镀膜和可饱和吸收层不受机械损伤，又可以避免操作人员直接接触毒害物质或元素，使得器件更加安全可靠；三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件中的功能层(1)包含光学镀膜和钝化层，可以通过激光脉冲沉积、磁控溅射和热蒸发等方法实现。
三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件中的光学衬底要求在红外光谱范围内高度透明，优选的光学衬底有二氧化硅(SiO2)、砷化镓(GaAs)、氧化铝(Al2O3)、氟化钙(CaF2)和云母等，这些光学衬底制备工艺成熟、表面光滑、粗糙度低、容易清洗，适用于生长三维狄拉克半金属材料并进行光学镀膜。
三维狄拉克半金属材料可以使用分子束外延(MBE)生长在光学衬底上。通过这种方式制备的三维狄拉克半金属材料结晶质量高、缺陷少，非线性光学性能可重复度高。
更优异的是，可以通过精确控制材料的生长时间、速率和温度等条件来设计并调整可饱和吸收层的非线性光学参数，从而制备不同调制深度、非线性损耗的红外可饱和吸收器件，并且在使用分子束外延生长三维狄拉克半金属材料的过程中，还可以对其进行元素掺杂，通过控制元素掺杂浓度，可以调控该可饱和吸收器件的弛豫时间，优选的掺杂元素有Cr、In、Na和K等。
实施例一：本实施例提供一种反射型三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件的设计方案。结合图3所示，具体方案如下；使用激光脉冲沉积将在双面抛光的砷化镓衬底(2)的一侧沉积了功能层(1)，包括光学增透膜和Al2O3钝化层。然后再使用分子束外延技术在GaAs衬底的另一侧生长了200nm三维狄拉克半金属Cd3As2薄膜(3)，最后使用电子束蒸发在Cd3As2表面蒸镀了1μm的金膜(4)。其中，Cd3As2薄膜分子束外延生长的具体条件如下：使用纯度为～99.999％(5N)镉源和砷源，在设备腔室初始压强约为10-8mbar；衬底温度～200℃的条件下生长Cd3As2薄膜。我们使用高能电子反射(RHEED)对薄膜的生长速率进行原位监控，并将薄膜的生长速率控制在～1nm/分钟。
实施例二：本实施例提供了一种透射型三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件的具体设计方案。如图4所示，使用分子束外延在砷化镓(2)表面生长了厚度为200nm的Cd3As2薄膜(3)，然后使用电子束蒸发将功能层(1)(光学增透膜和钝化层)镀在了该器件的两侧。
实施例三：本实施例提供了基于三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件半导体脉冲激光器的设计方案。如图5所示，泵浦源(5)泵浦半导体增益结构(6)，从而产生红外连续激光，该连续光经过输出耦合镜反镜(7)和反射型三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件形成的微腔后可以实现锁模或者调Q，从而输出红外脉冲激光。
实施例四：本实施例提供了基于三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件的固体激光器的设计方案。如图6和图7所示，固体增益介质(10)被泵浦源(5)泵浦后，可在由二色镜(9)、三维狄拉克半金属材料可饱和吸收器件(11、12)和耦合输出镜(7)组成的谐振腔中产生红外脉冲激光。
实施例五：三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件还可用于光纤脉冲激光器。图8和图9给出了两种典型的设计方案。泵浦源(5)产生的泵浦光，经过波分复用器(14)引入增益光纤(15)，增益光纤产生的红外光在由可饱和吸收体(11或12)、光纤耦合器(16)以及高反镜(17)等元件组成的微腔中形成脉冲激光。在光纤激光器中可能需要单项隔离器(13)来保护泵浦源或稳定脉冲信号。

Claims (10)

1.一种三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件，其特征在于：使用零带隙、具有线性能量色散关系的三维狄拉克半金属材料作为红外可饱和吸收层(3)，所述红外可饱和吸收层(3)的工作波长覆盖红外区域，并且弛豫时间、饱和光强、调制深度、非线性损耗参数具有高度可调控性；所述三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件包括所述红外可饱和吸收层(3)和承载所述红外可饱和吸收层(3)所需的光学元件。
2.根据权利要求1所述的三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件，其特征在于：所述三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件具有反射型和透射型两种模式；反射型三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件由从上至下的功能层(1)、光学衬底(2)、红外可饱和吸收层(3)和反射层(4)构成；透射型三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件由功能层(1)、光学衬底(2)和红外可饱和吸收层(3)组成；其中，所述功能层(1)包含光学镀膜和钝化层；其中，光学镀膜是单层镀膜或多层镀膜，镀膜材料选自锗、砷化镓、硒化锌、硫化锌ZnS、氟化镁、二氧化钛、氧化锆材料中的一种或几种，并且通过控制镀膜的厚度和材料组合使所述光学镀膜在工作波长具有不同的反射率，从而调控三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件的可饱和光强；所述光学镀膜的厚度是0.001微米-100微米。
3.根据权利要求2所述的三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件，其特征在于：所述功能层(1)通过激光脉冲沉积、磁控溅射和热蒸发方法制备；所述钝化层选自二氧化硅和氧化铝中的一种，所述钝化层厚度是0.01微米-100微米。
4.根据权利要求2所述的三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件，其特征在于：所述光学衬底(2)要求在红外光谱范围内高度透明，光学衬底(2)选自二氧化硅、砷化镓、氧化铝、氟化钙和云母中的一种，光学衬底厚度是0.1毫米-10毫米。
5.根据权利要求2所述的三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件，其特征在于：所述反射层(4)为宽带的金属镜面、特定波长范围的全反射布拉格光栅镜或高反射率的光学膜层，其中，金属镜面为金镜、银镜或铝镜。
6.根据权利要求2所述的三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件，其特征在于：所述红外可饱和吸收层(3)是三维狄拉克半金属材料，选自砷化镉、铋化钠、铋化钾和铋化铷中的一种，红外可饱和吸收层(3)厚度是1纳米-1000纳米。
7.一种根据权利要求2-6之一所述三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件的制备方法，其特征在于：
使用激光脉冲沉积、磁控溅射和热蒸发方法将功能层(1)直接镀膜在红外光谱范围内高度透明的光学衬底(2)的一侧；
在光学衬底(2)的另一侧使用分子束外延技术生长高结晶质量的三维狄拉克半金属薄膜；
使用激光脉冲沉积、磁控溅射或热蒸发技术在所述三维狄拉克半金属薄膜的表面镀上反射层(4)；
其中，使用高能电子反射原位监控所述功能层(1)、三维狄拉克半金属薄膜和反射层(4)的生长速率，并将生长速率控制在1nm/分钟。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是使用分子束外延生长所述三维狄拉克半金属材料的过程中，对所述三维狄拉克半金属材料进行元素掺杂，通过控制元素掺杂浓度，调控三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件的弛豫时间，掺杂元素选自Cr、In、Na和K中的一种。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征是通过精确控制所述三维狄拉克半金属材料的生长时间、速率和温度条件来设计并调整三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件的非线性光学参数，从而制备不同调制深度、非线性损耗的三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件。
10.权利要求1-6之一所述的三维狄拉克半金属材料红外可饱和吸收器件在半导体脉冲激光器、固体脉冲激光器或光纤脉冲激光器中的应用。
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Coherent ultrafast spin-dynamics probed in three dimensional topological insulators;F. Boschini et.al;《Scientific Reports》;20151029;第5卷;全文
Landau quantization and quasiparticle interference in the three-dimensional Dirac semimetal Cd3As2;Sangjun Jeon et.al;《NATURE MATERIALS》;20140629;第13卷(第9期);851-856

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