CN109818246B - 一种制冷型可饱和吸收体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制冷型可饱和吸收体器件器件，包括第一夹具(1)、第二夹具(2)、置于所述第一夹具(1)和所述第二夹具(2)之间的可饱和吸收体(3)和制冷剂容器(4)，所述制冷剂容器(4)包覆于所述第一夹具(1)和所述第二夹具(2)的周围；激光输入到所述第一夹具(1)或所述第二夹具(2)上时，所述可饱和吸收体(3)能够对激光进行整形并从所述第二夹具(2)或所述第一夹具(1)输出。本发明提供的可饱和吸收体器利用制冷剂容器实现了对可饱和吸收体的降温作用，克服了可饱和吸收体工作时光热效应导致的可饱和吸收体损伤问题，提升了可饱和吸收体的损伤阈值。
Description
技术领域
本发明涉及一种制冷型可饱和吸收体器件。
背景技术
激光被称为“最快的到”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”，因此激光加工技术作为重要的先进制造技术之一已被广泛应用于众多的工业制造领域，利用激光直写技术进行材料加工时,其所能达到的加工分辨率一直受到经典光学理论衍射极限的限制,难于进行纳米尺度的加工。飞秒脉冲激光的出现不仅为研究光与物质相互作用的超快过程提供了手段,也为发展先进的微纳米加工技术提供了不可多得的光源.该技术利用多光子效应和激光与物质作用的阈值效应,成功地实现了纳米尺度的激光直写加工分辨率。
目前，被动锁模是实现飞秒脉冲激光产生的主要方式，被动锁模的实现方法主要包括半导体可饱和吸收体被动锁模、附加脉冲锁模、非线性偏振旋转被动锁模等，其中半导体可饱和吸收体是目前实现被动锁模的最早的有效方法之一，其锁模机制为：在低强度情况下,当光子经过可饱和吸收体时被吸收,结果一个电子跃迁到了高能级态,很快这个电子就经过非辐射跃迁过程回到基态,这样吸收体又可以吸收其他光子。在高强度极限下,可以想象为很多光子同时入射,虽然一部分光子被吸收,但它们有效地抽运并饱和了吸收介质,因此其他入射光子可以无吸收地通过吸收介质。这样就实现了阻止低强度光、通过高强度光的饱和吸收作用。
常用的可饱和吸收材料是半导体吸收介质,可以采用单层或多层量子阱结构制成。半导体可饱和吸收镜(SESAM)是半导体可饱和吸收体和反射镜的结合,可饱和吸收体利用其自身的相应恢复时间作为时间选通门来对激光脉冲进行时间上的整形,对于脉冲中能量较低的部分完全吸收,引入损耗机制：当脉冲中能量较高的部分通过,达到可饱和吸收体的饱和吸收阈值时,可饱和吸收体在强光的作用下吸收饱和被漂白而变得透明,这样使得后续部分得以在漂白恢复时间内无损耗地通过；而当可饱和吸收体达到响应恢复时间,重新恢复吸收特性后,新的可饱和吸收过程便再次重新开始。利用半导体可饱和吸收体要求它工作时的偏置电流必须低于阈值，这种方法产生的脉冲宽度一般为皮秒和飞秒级,它虽然具有脉宽窄、结构简单、紧凑、成本低、锁模稳定、调整简单等优点,但其会引入反射镜，使得激光器的结构变得复杂，且不易于实现全光纤结构。
为了解决半导体可饱和吸收体存在的问题，研究者们把主要精力投入到了基于碳纳米材料(单壁碳纳米管、石墨烯)制作的用于被动锁模的可饱和吸收体，但上述两种纳米材料的制作工艺复杂、成本高等，很难在一般条件下自主搭建可饱和吸收体锁模激光器以获得超短脉冲。因此，探索新型可饱和吸收体材料及器件，实现飞秒脉冲激光输出成为世界范围内的热门研究课题。
随着纳米技术的深入发展，金纳米材料由于具有独特的局域表面等离激元共振特性以及其在生物化学传感、表面增强拉曼光谱学、生物医学、成像技术、光信息存储和纳米光子学等领域具有广泛的应用前景，受到科研人员的广泛关注。此外，金纳米材料还具有较高的三阶非线性系数、较快的恢复时间、制作简单、易与光纤集成以及其特殊的吸收光谱特性，具有成为新型可饱和吸收体的潜力。
2012年，吉林大学秦冠仕课题组利用薄膜型金纳米材料首次实现了调Q脉冲激光输出，但是由于光与金纳米材料相互作用时具有较强的光热效应，使得薄膜型可饱和吸收体的损伤阈值较低，不利于承受高峰值功率的超短脉冲运转，获得的脉冲宽度仅为微秒量级。此外，激光器的稳定性较差。由此可以看出，尽管目前薄膜型器件仍是较为理想的全光纤集成器件。但该类型器件主要受限于光与材料相互作用时所产生的光热效应，极大地限制了激光器性能的提升。
为了减弱光热效应的影响，科研人员提出利用消逝场效应来解决这一问题，如华南师范大学徐文成课题组(《Microfiber-based gold nanorods as saturable absorberfor femtosecond pulse generation in a fiber laser》,Appl.Phys.Lett.105(16),116107,(2014).)将金纳米棒沉积到微纳光纤上，制作出微纳光纤-金纳米棒型可饱和吸收体，在掺铒光纤激光器中获得了中心波长为1552nm，脉冲宽度为887fs的锁模脉冲。在该研究中，利用了微纳光纤中的消逝场与金纳米棒相互作用，提高了基于金纳米棒可饱和吸收体的损伤阈值，有效地改善了可饱和吸收体的性能。采用相同的方式，吉林大学秦冠仕等人(《Microfiber coated with gold nanorods as saturable absorber for 2μm》Opt.Mater.Express 12(8),3841-3850,(2018).)在掺铥光纤激光器中获得了中心波长为1943.5nm，脉冲宽度为404fs的锁模脉冲激光输出。具体的实现方法是：
通过采用熔融拉锥的方式，将普通单模光纤(a)拉制成微纳光纤结构(b)，将金纳米棒溶液通过沉积的方式，沉积到微纳光纤的表面，制备出微纳光纤-金纳米棒可饱和吸收体。将制备出微纳光纤-金纳米棒可饱和吸收体(Microfiber based GNRs-SA)集成到环形腔激光器中，实现了飞秒脉冲激光输出。这种结构的可饱和吸收体仍存在以下问题：
(1)微纳光纤是通过裸光纤熔融拉锥制备的，光纤芯径为几个微米，在实际使用过程中容易折断，使得该器件的操作不够灵活，同时也较难集成；
(2)在微纳光纤上实现金纳米棒的均匀沉积过程繁琐，难以实现精确控制；
(3)制备的可饱和吸收体不易保存，不易于实际应用。
为了减弱光热效应的影响，华南师范大学徐文成课题组(《Wavelength-switchable femtosecond pulse fiber laser mode-locked by silica-encased goldnanorods》,Laser.Phys.Lett.13,045101,(2016).)采用二氧化硅包覆的方式制备金纳米棒-二氧化硅核壳结构的可饱和吸收体，将其置于掺铒光纤激光器中，获得了中心波长为1535.6～1560.5nm的可调谐锁模激光输出，最窄脉冲宽度为403fs。具体的实现方法是：
通过采用包覆的方式制备出二氧化硅包覆金纳米棒样品，进一步利用PVA作为成膜剂，制备出金纳米棒薄膜型可饱和吸收体，将制备出的二氧化硅-金纳米棒可饱和吸收体(GNRs@SiO2SA)集成到环形腔激光器中，实现了飞秒脉冲激光输出。但是这种结构的可饱和吸收体主要的问题就是材料的制备过程非常复杂，且尺寸很难调控，样品均匀性较差，同时非饱和损耗增大，不易于激光器的稳定运转，不易于实际应用。
发明内容
为了解决现有的可饱和吸收体器件因光热效应，应用于激光器中极大地限制了激光器性能提升的问题，本发明在此的目的在于提供一种具有减弱可饱和吸收体器件光热效应的制冷型可饱和吸收体器件。
为实现本发明的目的，在此所提供的制冷型可饱和吸收体器件包括两种结构，第一种结构包括第一夹具、第二夹具、置于第一夹具和第二夹具之间的可饱和吸收体制冷剂容器，制冷剂容器包覆于第一夹具和第二夹具的周围；激光输入到第一夹具或第二夹具上时，可饱和吸收体能够对激光进行整形并从第二夹具或第一夹具输出。
第二种结构包括第一夹具、第二夹具、可饱和吸收体和制冷剂容器，可饱和吸收体插装于制冷剂容器内，制冷剂容器置于第一夹具和第二夹具之间，激光输入到第一夹具或第二夹具上时，可饱和吸收体能够对激光进行整形并从第二夹具或第一夹具输出。
为了能够更有效地减弱可饱和吸收体作用时的光热效应的影响，本发明提供的可饱和吸收体器件的第一种结构中的制冷剂容器上开设有注入口；通过注入口实现了制冷剂的循环注入和排出，保证了制冷剂的制冷性。
同理，为了能够更有效地减弱可饱和吸收体作用时的光热效应的影响，本发明提供的可饱和吸收体器件的第二种结构中的制冷剂容器上开设有注入口和排出口，通过注入口和排出口实现了制冷剂的循环注入和排出，保证了制冷剂的制冷性。
具体的，在一些实施方式中，可饱和吸收体为金纳米材料可饱和吸收体。
本发明的有益效果是：本发明提供的可饱和吸收体器利用制冷剂容器实现了对可饱和吸收体的降温作用，克服了可饱和吸收体工作时光热效应导致的可饱和吸收体损伤问题，提升了可饱和吸收体的损伤阈值。与现有技术中采用的微纳光纤方式或二氧化硅包覆方式制备的可饱和吸收体器件相比，该方式在确保全光纤结构的前提下，有效地减弱了光热效应的影响，提升了饱和吸收体的性能，实现了脉冲宽度比之前方式的窄化了一半(400fs降低到200fs)。
附图说明
图1为本发明所提供的可饱和吸收体器件的第一种结构示意图；
图2为本发明所提供的可饱和吸收体器件的第二种结构示意图；
图3为本发明所提供的可饱和吸收体器件的第二种结构的主视图；
图4为本发明所提供的可饱和吸收体器件置于光纤激光器中的结构示意图；
图5为本发明所提供的可饱和吸收体器件在用于1940nm锁模激光器中的输出光谱和脉冲串数据图；
图中：1-第一夹具1，2-第二夹具，3-可饱和吸收体，4-制冷剂容器，5-管道，41-注入口，42-排出口。
附图4中Pump为泵浦光源，WDM为波分复用器，Gain fiber为增益光纤，ISO为光纤隔离器，GNRs-SA为本发明提供的可饱和吸收体器件，PC为偏振控制器，Coupler为输出耦合器。
具体实施方式
在此结合附图和实施例对本发明所提供的可饱和吸收体器件的结构进行详细的说明。
为了解决现有可饱和吸收体器件在使用时因光热效应，应用于激光器中极大地限制了激光器性能提升的问题提供了一种制冷型可饱和吸收体器件，该器件包括两种结构，一种结构如图1所示，包括了第一夹具1、第二夹具2、置于第一夹具1和第二夹具2之间的可饱和吸收体3和制冷剂容器4，制冷剂容器4包覆在第一夹具1和第二夹具2的周围，可以是不全部包覆第一夹具1和第二夹具2，如相间隔的包覆在第一夹具1和第二夹具2的外周，如图1所示。制冷剂容器4的数量可以是一个，也可以是两个或两个以上。
第一夹具1和第二夹具2上开设有为激光提供传输通道的通孔，可饱和吸收体3置于通孔内，以实现可饱和吸收体3对激光进行整形，并从另一夹具输出。此处所记载的可饱和吸收体3可以是任何形状，在此使用棒状，棒状结构的可饱和吸收体3的两端端面分别与第一夹具1和第二夹具2相背的两个外端面处于同一平面，如图1所示。
为了形成制冷循环，保证本发明提供的制冷型可饱和吸收体器件在使用时能够更有效地减弱光热效应的影响，在第一种结构的基础上，根据制冷剂容器4的数量设置不同数量的注入口41，当仅包括一个制冷剂容器4时，在其两端分别设置一个注入口41，一个用于注入制冷剂，另一个用于排出制冷剂；当包括两个制冷剂容器4时，将两个制冷剂容器4间隔包覆于第一夹具1和第二夹具2周围，两制冷剂容器4之间通过管道5实现连通；分别在两个制冷剂容器4上设置一个注入口41，一个用于注入制冷剂，另一个用于排出制冷剂，从而形成制冷循环。
第二种结构如图2和图3所示，包括了第一夹具1、第二夹具2、可饱和吸收体3和制冷剂容器4，制冷剂容器4设置有插槽，可饱和吸收体3插装与插槽内，使可饱和吸收体3置于制冷剂容器4内；制冷剂容器4置于第一夹具1和第二夹具2之间，如图2所示。第一夹具1和第二夹具2上开设有为激光提供传输通道的通孔，该通孔与可饱和吸收体3相对，使激光能够通过开设与第一夹具1或第二夹具2上通孔打击到插装于制冷剂容器4上的可饱和吸收体3上，利用可饱和吸收体3对激光进行整形，并从第二夹具2或第一夹具1输出。
同样为了形成制冷循环，保证本发明提供的制冷型可饱和吸收体器件在使用时能够更有效地减弱光热效应的影响，在第二种结构的基础上，在制冷剂容器4上开设注入口41和排出口42，注入口41用于注入制冷剂，制冷剂在制冷剂容器4中流动，从排出口42排出，从而形成制冷循环。
此处第一种结构和第二种结构中的可饱和吸收体3可以是现有的任何一种可饱和吸收体，在此采用金纳米材料可饱和吸收体，具体可以采用金纳米棒，金纳米材料可以通过改变结构得到不同的形貌的纳米星、球、棒状等，进而得到不同的纵向表面等离子共振吸收峰。
此外，第一种结构和第二种结构中的可饱和吸收体3还可以是由结合在一起的成膜剂材料和贵金属材料制成。其中，成膜剂材料可以是聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮，羧甲基纤维素钠，聚甲基丙烯酸甲酯，SU8聚合物或苯乙烯二甲基丙烯酸甲酯共聚物中的一种或几种；将上述成膜材料通过混合、物理或化学掺杂的方法，使之与贵金属材料结合在一起制成可饱和吸收体。其中金属材料可以是金纳米材料、碳纳米材料或二维材料。
在此第一夹具1和/或第二夹具2为可以采用任何一种按照光纤FC/PC结构设计的金属夹具，在此采用铁或者钢。
本发明提供的可饱和吸收体器件的制冷剂容器4可以采用现有的任何一种容器，在此采用铝、铁、镁铝合金等金属容器，用于制冷剂盛装；注入制冷剂容器4中的制冷剂可以是现有的任何一种制冷剂，如水、氨、乙烯、液氮，或者是冷风。
本发明在此所记载的可饱和吸收体3可以采用现有任何一种方法制成，如“晶种法”制成，在此通过以下步骤制得：
步骤1：将十六烷基三甲基溴化铵、氯金酸溶液和新鲜的硼氢化钠按体积比为10:10:1的比例在烧杯中混合均匀并进行搅拌，搅拌两个小时后得到种子液；在此使用10mL十六烷基三甲基溴化铵、10mL氯金酸溶液和1mL新鲜的硼氢化钠配制种子液；
步骤2：将十六烷基三甲基溴化铵、5-溴水杨酸、硝酸银水溶液和氯金酸溶液按体积比为20：12.5：2：35.2的比例，在烧瓶中混合均匀，得到混合液，接着向混合液中加入抗坏血酸，抗坏血酸与混合液的体积比为：1：70，制得生长液；在此使用20mL十六烷基三甲基溴化铵、12.5mL 5-溴水杨酸、2mL硝酸银水溶液、35.2mL氯金酸溶液和1mL抗坏血酸配制生长液；
步骤3：将步骤1中制得的种子液和步骤2中制得的生长液按体积比为1:140的比例混合，并进行剧烈搅拌30分钟后静止24h后得到金纳米棒溶液；其中，种子液和生长液的体积体可以根据情况更换成其它比例，从而得到不同长度的可饱和吸收体；
步骤4：将步骤3得到的金纳米棒溶液与1.5wt％的羧甲基纤维素钠(NaCMC)水溶液按体积比为1:1的比例混合超声分散2h；
步骤5：将超声分散后的混合溶液旋涂于平整的硅片表面在真空密闭容器中自然干燥直至成膜，形成可饱和吸收体3。
将经上述步骤制得的可饱和吸收体3按照本发明所提供的结构进行组装，并在制冷剂容器4中加入液氮进行制冷。
以上步骤中所使用的十六烷基三甲基溴化铵、氯金酸溶液、新鲜的硼氢化钠、5-溴水杨酸、硝酸银水溶液、氯金酸溶液和抗坏血酸的浓度根据配制情况而定，在此，步骤1中的十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.2mol/L，氯金酸溶液的浓度为0.5mmol/L，新鲜的硼氢化钠的浓度为0.01mmol/L；步骤2中的十六烷基三甲基溴化铵、5-溴水杨酸、硝酸银水溶液和氯金酸溶液的浓度分别为：0.15mmol/L、0.2mol/L、4mmol/L和0.1mmol/L，而抗坏血酸的浓度为0.1mmol/L。
本发明提供的可饱和吸收体器件主要是通过制冷，降低了可饱和吸收体的光热效应，提升了可饱和吸收体的损伤阈值，进一步也延长了可饱和吸收体的使用寿命。
本发明提供的可饱和吸收体器件可以用于任何光纤激光器，在此以其应用于环形腔光纤激光器中进行光纤激光器锁模测试，测试方法为：选取半导体激光器泵浦的运行于1940nm波段处的环形腔光纤激光器，将本发明提供的可饱和吸收体器件置于光纤激光器中，如图4所示，逐渐增加半导体激光器的泵浦功率，调节光纤激光器的偏振，实现脉冲宽度为200飞秒的脉冲激光输出，实验结果如图5所示。由实验结果可知本发明提供的可饱和吸收体实现了稳定的飞秒脉冲激光输出。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的修改或等同替换，只要不脱离本发明的技术方案的精神和范围，均涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种制冷型可饱和吸收体器件，其特征在于：包括第一夹具(1)、第二夹具(2)、置于所述第一夹具(1)和所述第二夹具(2)之间的可饱和吸收体(3)和制冷剂容器(4)，所述制冷剂容器(4)包覆于所述第一夹具(1)和所述第二夹具(2)的周围；所述第一夹具(1)和所述第二夹具(2)上开设有为激光提供传输通道的通孔，激光经通孔作用于所述可饱和吸收体(3)上；所述可饱和吸收体(3)能够对激光进行整形并从所述第二夹具(2)或所述第一夹具(1)输出。
2.一种制冷型可饱和吸收体器件，其特征在于：包括第一夹具(1)、第二夹具(2)、可饱和吸收体(3)和制冷剂容器(4)，所述可饱和吸收体(3)插装于所述制冷剂容器(4)内，所述制冷剂容器(4)置于所述第一夹具(1)和所述第二夹具(2)之间，所述第一夹具(1)和所述第二夹具(2)上开设有为激光提供传输通道的通孔，该通孔与所述可饱和吸收体(3)相对；激光能够通过开设于所述第一夹具(1)或所述第二夹具(2)上通孔打击到所述可饱和吸收体(3)上；所述可饱和吸收体(3)能够对激光进行整形并从所述第二夹具(2)或所述第一夹具(1)输出。
3.根据权利要求1所述的制冷型可饱和吸收体器件，其特征在于：所述制冷剂容器(4)上开设有注入口(41)。
4.根据权利要求2所述的制冷型可饱和吸收体器件，其特征在于：所述制冷剂容器(4)上开设有注入口(41)和排出口(42)。
5.根据权利要求1或2所述的制冷型可饱和吸收体器件，其特征在于：所述可饱和吸收体(3)包括结合在一起的成膜剂材料和贵金属材料。
6.根据权利要求5所述的制冷型可饱和吸收体器件，其特征在于：所述成膜剂材料包括聚乙烯醇，聚乙烯吡咯烷酮，羧甲基纤维素钠，聚甲基丙烯酸甲酯，SU8聚合物或苯乙烯二甲基丙烯酸甲酯共聚物中的一种或几种。
7.根据权利要求1或2所述的制冷型可饱和吸收体器件，其特征在于：所述可饱和吸收体(3)为金纳米材料可饱和吸收体。
8.根据权利要求1或2所述的制冷型可饱和吸收体器件，其特征在于：所述可饱和吸收体(3)通过以下步骤制得：
步骤1：将十六烷基三甲基溴化铵、氯金酸溶液和新鲜的硼氢化钠按体积比为10:10:1的比例在烧杯中混合均匀并进行搅拌，搅拌两个小时后得到种子液；
步骤2：将十六烷基三甲基溴化铵、5-溴水杨酸、硝酸银水溶液和氯金酸溶液按体积比为20：12.5：2：35.2的比例，在烧瓶中混合均匀，得到混合液，接着向混合液中加入抗坏血酸，制得生长液；
步骤3：将步骤1中制得的种子液和步骤2中制得的生长液按体积比为1:140的比例混合，并进行剧烈搅拌30分钟后静止24h后得到金纳米棒溶液；
步骤4：将步骤3得到的金纳米棒溶液与1.5wt％的羧甲基纤维素钠水溶液按体积比为1:1的比例混合超声分散2h；
步骤5：将超声分散后的混合溶液旋涂于平整的硅片表面在真空密闭容器中自然干燥直至成膜，形成可饱和吸收体(3)。
9.根据权利要求8所述的制冷型可饱和吸收体器件，其特征在于：所述步骤1中的十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.2mol/L，所述氯金酸溶液的浓度为0.5mmol/L，所述新鲜的硼氢化钠的浓度为0.01mmol/L。
10.根据权利要求8所述的制冷型可饱和吸收体器件，其特征在于：所述步骤2中的十六烷基三甲基溴化铵、5-溴水杨酸、硝酸银水溶液和氯金酸溶液的浓度分别为：0.15mmol/L、0.2mol/L、4mmol/L和0.1mmol/L。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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