CN105896257A - 一种异质结可饱和吸收镜及其制备方法、锁膜光纤激光器 - Google Patents

一种异质结可饱和吸收镜及其制备方法、锁膜光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光器技术领域，提供了一种异质结可饱和吸收镜，包括衬底、覆盖在所述衬底上的异质结薄膜以及位于所述异质结薄膜之上的保护膜层；所述异质结薄膜包括至少两层可饱和吸收层，其中各可饱和吸收层的材料互不相同。本发明还提供了一种异质结可饱和吸收镜的制备方法，包括如下步骤：衬底制将衬底抛光；将所述衬底置于反应室内，采用CVD法在所述金膜层上依次镀上所述至少两层可饱和吸收层，形成异质结薄膜；在所述异质结薄膜表面镀上保护膜层。本发明提供的异质结可饱和吸收镜具有高损伤阈值，结构简单、成本低廉，可靠性高；制备方法简单，适于批量生产。

Description

一种异质结可饱和吸收镜及其制备方法、锁膜光纤激光器
技术领域
本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种异质结可饱和吸收镜及其制备方法、一种锁模光纤激光器。
背景技术
利用被动锁模技术是光纤激光器实现超快脉冲输出的一种有效途径，而被动锁模的关键技术是光纤激光器谐振腔中需要具备可饱和吸收效应。目前，研究人员已经利用多种可饱和吸收效应在光纤激光器中获得被动锁模超快脉冲输出。一般来说，为了克服光纤激光锁模环境不稳定的缺点，研究人员通常采用SESAM(半导体可饱和吸收镜)来实现光纤激光器锁模超快脉冲输出。但由于商用SESAM价格昂贵、制作工艺复杂、可饱和吸收带宽窄、一般仅支持皮秒级别的脉冲输出，并且损伤阈值也较低，所以也不适用于全方位研究超快光纤激光器的动力学特性。因此，本领域内急需一种成本低廉、工艺简单、高性能的可饱和吸收体。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种异质结可饱和吸收镜及其制备方法，旨在克服商用SESAM价格昂贵、制作工艺复杂、可靠性低的缺陷。
本发明是这样实现的：一种异质结可饱和吸收镜，包括衬底、覆盖在所述衬底上的异质结薄膜以及位于所述异质结薄膜之上的保护膜层；所述异质结薄膜包括至少两层可饱和吸收层，其中各可饱和吸收层的材料互不相同。
进一步地，所述异质结可饱和吸收镜还包括金膜层，所述金膜层位于所述衬底与所述异质结薄膜之间。
进一步地，所述金膜层的厚度为500-1000nm。
进一步地，所述保护膜层为多层六角氮化硼薄膜。
进一步地，所述至少两层可饱和吸收层分别为石墨烯层、过渡金属氧族化物材料层、拓扑绝缘体材料层中的任意两种或任意两种材料不同的过渡金属氧族化物材料层；其中，所述过渡金属氧族化物不包括氧化物。
进一步地，所述过渡金属氧族化物材料包括二碲化钨、二碲化钼、二硫化铪、二硒化铪、二硒化钴、二碲化钴、二硒化铼、二碲化铼、二硫化锡、二硒化锡、二硫化铌、二硒化铌、二硫化钛、二硒化钛、二硫化钽、二硒化钽、二硫化锆、二碲化锆、二硫化钼，二硫化钨，二硒化钼，二硒化钨；所述拓扑绝缘体材料包括碲化锑、硒化铋、碲化铋及硫化铋。
进一步地，所述衬底为铜片、碳化硅或蓝宝石中的任意一种。
本发明还提供了一种所述的异质结可饱和吸收镜的制备方法，包括如下步骤：
衬底制备步骤：将衬底抛光；
异质结制备步骤：将所述衬底置于反应室内，采用CVD法在所述金膜层上依次镀上所述至少两层可饱和吸收层，形成异质结薄膜；
保护膜制备步骤：在所述异质结薄膜表面镀上保护膜层。
进一步地，在所述衬底制备步骤和所述异质结制备步骤之间，所述制备方法还包括在衬底表面镀金膜层的步骤。
本发明还提供了一种锁模光纤激光器，包括用于产生激光的谐振腔，所述谐振腔包括上述所述的异质结可饱和吸收镜，所述异质结可饱和吸收镜用于对所述谐振腔产生的激光锁膜。
有益效果：本发明提供的异质结可饱和吸收镜，其包含的异质结薄膜由至少两层不同物质构成，有效地结合了各种材料在非线性光学领域各自的优点；其包含的保护膜层可在透光的同时又能隔离空气中的水蒸气、氧气对异质结的氧化和侵蚀，又能高效传导热量，提高可保和吸收镜的热损伤阈值。因此本发明制备而成的异质结可饱和吸收镜具有高损伤阈值、结构简单、可靠性高等优点。同时本发明提供的异质结可饱和吸收镜的制备方法采用CVD法，制备过程简单，可大批量生产。此外，本发明提供的锁模光纤激光器，包括所述的异质结可饱和吸收镜，不仅性能极佳，而且结构简单、可靠性高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的异质结可饱和吸收镜的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的异质结可饱和吸收镜的制备方法流程示意图；
图3是本发明实施例提供的异质结可饱和吸收镜的制备方法中衬底镀金膜过程示意图；
图4是本发明实施例提供的异质结可饱和吸收镜的制备方法中异质结膜层和保护膜层制备过程示意图；
图5本发明实施例提供的制备方法制得的异质结可饱和吸收镜的具体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种异质结可饱和吸收镜，包括衬底101，镀在衬底上的异质结薄膜102以及保护膜层103。在本实施例中，衬底101可采用铜片、碳化硅或者蓝宝石。异质结薄膜102由两层不同材料组成，包括石墨烯层、过渡金属氧族化物材料层、拓扑绝缘体材料层中的任意两种或任意两种材料不同的过渡金属氧族化物材料层；其中，所述过渡金属氧族化物不包括氧化物，包括二碲化钨、二碲化钼、二硫化铪、二硒化铪、二硒化钴、二碲化钴、二硒化铼、二碲化铼、二硫化锡、二硒化锡、二硫化铌、二硒化铌、二硫化钛、二硒化钛、二硫化钽、二硒化钽、二硫化锆、二碲化锆、二硫化钼，二硫化钨，二硒化钼，二硒化钨；拓扑绝缘体材料包括碲化锑、硒化铋及碲化铋、硫化铋。所述异质结的构成可以是上述三种材料(石墨烯，过渡金属硫化物，拓扑绝缘体)的两两组合，也可是同一类材料里面不同种材料的两两组合(如：石墨烯/过渡金属硫化物异质结，石墨烯/拓扑绝缘体异质结，硫化钼/硫化钨异质结)。
进一步地，所述异质结可饱和吸收镜还可以包括金膜层，所述金膜层位于所述衬底与所述异质结薄膜之间，金膜厚度≥500nm，优选不高于1000nm。
这种异质结可饱和吸收镜的工作原理是，将其作为激光器的一个高反射镜，当谐振腔内的激光被该异质结可饱和吸收镜反射时，激光可被异质结可饱和吸收镜调制，实现调Q或锁模。这种异质结可饱和吸收镜具有高损伤阈值，可对光进行宽带调制的同时作为光的反射镜，可用于激光系统中脉冲激光产生的关键器件。
如图2所示，本发明一实施例提供了上述异质结可饱和吸收镜的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1：衬底制备：衬底材料选择散热系数高的材料，如铜片、碳化硅或蓝宝石，衬底材料经过抛光后具有光滑平面，在衬底材料上镀金膜，金膜厚度≥500nm，金膜作为可饱和吸收镜的宽带反射镜。
步骤S2：异质结薄膜制备：采用化学气相沉积法进行镀膜。以石墨烯/过渡金属硫化物(TMDs)异质结为例说明：1)将上述制备的衬底材料置于反应室内，镀有金膜的面朝与气流接触的方向，以甲烷和氢气作为反应材料。加热衬底材料使甲烷和氢气在金膜表面合成大面积的高质量单层石墨烯；2)更换反应材料，控制气流速率，反应室温度和沉积时间等参数，在石墨烯表面生长所需厚度的过渡金属硫化物薄膜。
步骤S3：保护膜层制备：采用多层六角氮化硼薄膜，六方氮化硼属六方晶系，具有类似石墨的层次结构，其晶体结构的每一层有B、N原子相间排列成六角环状网络。层内原子之间呈很强的共价结合，所以结构紧密。层间为分子健结合，结合弱，故容易削弱。这种薄膜在透光的同时又能隔离空气中的水蒸气、氧气对异质结的氧化和侵蚀，又能高效传导热量，提高可保和吸收镜的热损伤阈值。
上述所述的异质结可饱和吸收镜的制备过程及各制备阶段的产品膜层结构具体结合图3和图4所示，图3是实施例提供的异质结可饱和吸收镜的制备方法中衬底镀金膜过程示意图，图4是实施例提供的异质结可饱和吸收镜的制备方法中异质结膜层和保护膜层制备过程示意图。其中1为衬底，2为金膜层，3为石墨烯层，4为过渡金属硫化物薄膜层，5为保护膜层。
本发明的异质结薄膜制备过程利用化学气相沉积法，制备过程简单，可大批量生产，每次可以制备上千块异质结可饱和吸收镜。同时，在沉积过程中，通过控制沉积的温度、时间等，可以控制沉积的异质结薄膜的厚度和均匀性。其中，温度可以通过真空室内加热装置改变、沉积时间可以程序控制或人工控制。由此可大批量生产，同时使制作的异质结可饱和吸收镜规格一致，且其带宽可从可见光拓展到红外甚至微波。
如图5所示，为本实施例所得的异质结可饱和吸收镜，金膜层2位于衬底101之上，异质结层102位于金膜层5之上，保护膜层103位于异质结层102之上；其中异质结层102由石墨烯层3和过渡金属硫化物薄膜层4构成。
所得的异质结可饱和吸收镜包含的异质结层102由石墨烯层3和过渡金属硫化物薄膜层4两层不同物质构成，有效地结合了这两种材料在非线性光学领域各自的优点，使制得的异质结可饱和吸收镜综合性能显著提高；其包含的保护膜层103，采用多层六角氮化硼薄膜，可在透光的同时又能隔离空气中的水蒸气、氧气对异质结的氧化和侵蚀，又能高效传导热量，提高可保和吸收镜的热损伤阈值。因此本实施例制备而成的异质结可饱和吸收镜具有高损伤阈值的优点。所述异质结可饱和吸收镜进一步所包括的金膜层，作为可饱和吸收镜的宽带反射镜。本实施例所提供的异质结可饱和吸收镜，其带宽可从可见光拓展到红外甚至微波。
本实施例还提供了一种锁模光纤激光器，包括谐振腔，所述谐振腔包括上述所述的异质结可饱和吸收镜，所述异质结可饱和吸收镜用于对所述谐振腔产生的激光锁膜。该锁模光纤激光器具备了本发明的异质结可饱和吸收镜所具有的优点，相比现有的锁模光纤激光器，不仅性能显著提高，而且结构简单、可靠性高。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种异质结可饱和吸收镜，其特征在于，包括衬底、覆盖在所述衬底上的异质结薄膜以及位于所述异质结薄膜之上的保护膜层；所述异质结薄膜包括至少两层可饱和吸收层，其中各可饱和吸收层的材料互不相同。
2.如权利要求1所述的异质结可饱和吸收镜，其特征在于，所述异质结可饱和吸收镜还包括金膜层，所述金膜层位于所述衬底与所述异质结薄膜之间。
3.如权利要求1所述的异质结可饱和吸收镜，其特征在于，所述金膜层的厚度为500-1000nm。
4.如权利要求1所述的异质结可饱和吸收镜，其特征在于，所述保护膜层为多层六角氮化硼薄膜。
5.如权利要求1所述的异质结可饱和吸收镜，其特征在于，所述至少两层可饱和吸收层分别为石墨烯层、过渡金属氧族化物材料层、拓扑绝缘体材料层中的任意两种或任意两种材料不同的过渡金属氧族化物材料层；其中，所述过渡金属氧族化物不包括氧化物。
6.如权利要求4所述的异质结可饱和吸收镜，其特征在于，所述过渡金属氧族化物材料包括二碲化钨、二碲化钼、二硫化铪、二硒化铪、二硒化钴、二碲化钴、二硒化铼、二碲化铼、二硫化锡、二硒化锡、二硫化铌、二硒化铌、二硫化钛、二硒化钛、二硫化钽、二硒化钽、二硫化锆、二碲化锆、二硫化钼，二硫化钨，二硒化钼，二硒化钨；所述拓扑绝缘体材料包括碲化锑、硒化铋、碲化铋及硫化铋。
7.如权利要求1所述的异质结可饱和吸收镜，其特征在于，所述衬底为铜片、碳化硅或蓝宝石中的任意一种。
8.一种如权利要求1所述的异质结可饱和吸收镜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
衬底制备步骤：将衬底抛光；
异质结制备步骤：将所述衬底置于反应室内，采用CVD法在所述金膜层上依次镀上所述至少两层可饱和吸收层，形成异质结薄膜；
保护膜制备步骤：在所述异质结薄膜表面镀上保护膜层。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述衬底制备步骤和所述异质结制备步骤之间，所述制备方法还包括在衬底表面镀金膜层的步骤。
10.一种锁模光纤激光器，包括用于产生激光的谐振腔，其特征在于，所述谐振腔包括权利要求1～7任意一项所述的异质结可饱和吸收镜，所述异质结可饱和吸收镜用于对所述谐振腔产生的激光锁膜。
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