CN116937312A - 一种基于结构介电常数近零薄膜的可饱和吸收体器件、制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
一种基于结构介电常数近零薄膜的可饱和吸收体、制备方法及脉冲激光器方面的应用，属于激光技术及非线性光学技术领域。所述可饱和吸收体器件包括衬底、微结构阵列层和沉积在所述微结构陈列层上的结构ENZ薄膜。将结构ENZ可饱和吸收体放置在连续或长脉冲运转的激光谐振腔内，可以实现短脉冲激光输出。本发明提供的结构ENZ可饱和吸收体，具有在0°激光辐照下依然可以产生强的饱和吸收特性，可有效利用ENZ材料的ENZ效应引起的强的非线性光学性能；具有较高的损伤阈值，能够用于高功率激光器的研制；成本低，可大面积制备，便于集成，有利于产业化生产。本发明还提供了一种基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体的制备方法和应用。
Description
技术领域
本发明涉及基于结构介电常数近零薄膜的可饱和吸收体器件、制备方法及脉冲激光器方面的应用，属于激光技术及非线性光学技术领域。
背景技术
介电常数近零(ENZ)材料作为集成光子学和纳米光子学器件应用的新平台在近年得到研究者的广泛关注。在ENZ波长附近，随着介电常数实部接近于零，ENZ材料的折射率变化很大，可以在低功率光场下实现了高效的非线性光学响应。目前，关于ENZ材料在谐波转换、太赫兹波产生和激光调制开关等非线性光学应用领域的应用已成为激光领域的热点问题。以氧化铟锡(ITO)薄膜为代表的透明导电氧化物(TCO)薄膜在光通信波段表现出介电常数交叉，同时具有低的光损耗、亚皮秒的响应时间、良好的互补金属氧化物半导体兼容性，是目前研究ENZ材料的非线性光学性能和应用的优质材料平台。
然而，根据M.Z.Alam等人对ITO薄膜光学非线性的研究，只有在斜入射TM偏振激光辐照下，ENZ增强的非线性光学响应才会发生，且在入射角接近60°时达到最大。因此当基于TCOs薄膜等ENZ材料的激光调制器件应用于非TM偏振或非斜入射光路时，材料的ENZ场增强效应不能得到有效利用，限制了ENZ材料在非线性光学器件方面的进一步发展。
可饱和吸收体是脉冲激光器的关键部件，目前基于TCO薄膜的优异饱和吸收特性制备而成的可饱和吸收体器件被应用在多种被动调制脉冲激光器中，实现了多种波长的超快脉冲激光输出。但是，目前激光器中应用的可饱和吸收体的一般垂直于激光传播方向，即0°入射。虽然强的环境稳定性、超快的弛豫过程、高的激光诱导损伤阈值和可调节的非线性使TCO薄膜成为可饱和吸收体器件和脉冲激光器的有力候选者，但目前基于TCO薄膜的可饱和吸收体并未有效利用其ENZ场增强引起的强的非线性光学效应，这也限制了基于TCO薄膜等ENZ光开关的进一步发展。因此，需要寻找一种有效的方法，使ENZ薄膜在0°激光辐照下依然可以产生强的饱和吸收性能，真正实现ENZ效应在可饱和吸收体及脉冲激光器中的有效利用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体器件。旨在解决现有ENZ可饱和吸收体器件在0°激光辐照下不能有效利用其ENZ效应增强的饱和吸收问题。
所述基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体器件具有以下优点：(1)在0°激光辐照下依然可以产生强的饱和吸收特性，可有效利用ENZ材料的ENZ效应引起的强的非线性光学性能。(2)具有较高的损伤阈值，能够用于高功率激光器的研制。(3)成本低，可大面积制备，便于集成，有利于产业化生产。本发明还提供了一种基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体的制备方法和应用。
本发明还提供了上述可饱和吸收体器件的制备方法及脉冲激光器方面的应用。
本发明的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体器件，包括：
包括，衬底、微结构阵列层和沉积在该微结构陈列层表面的具有可饱和吸收特性的结构ENZ薄膜；
所述结构ENZ薄膜作为可饱和吸收体，用于产生脉冲激光；
所述结构ENZ可饱和吸收体器件的制备方法，具体包括：
(1)加工具有纳米级别尺寸的微结构单元，或直接在透明衬底表面刻蚀微结构单元形成微结构阵列层；
(2)通过自组装工艺将微结构单元转移到清洗后的透明衬底上，形成微结构阵列层；
(3)采用电子束蒸发技术或磁控溅射技术，在微结构阵列层上沉积ENZ薄膜，得到的薄膜即为结构ENZ薄膜，得到所述可饱和吸收体器件。
(4)针对工作波长在衬底背面镀以有利于激光振荡的介质膜，外包制冷铜块，制成被动调Q或锁模元件。
进一步，所述步骤(1)中加工具有纳米级别尺寸的微结构单元，加工方法包括法、激光加工、机械刻蚀等方法；所述激光加工和机械刻蚀方法可以直接在透明衬底表面加工微结构阵列层。
进一步，所述加工方法具体为法，微结构具体为SiO2微球，优选尺寸为580nm。
进一步，所述步骤(2)中，透明衬底具体为石英衬底，可根据需要加工成任意形状，优选形状是矩形或圆形。
进一步，所述步骤(3)中，ENZ薄膜优选为ITO薄膜。
进一步，所述石英衬底背面可镀以有利于激光振荡的介质膜，外包制冷铜块，减小其在工作波段的损耗和热效应。
进一步，所述透明衬底表面与微结构掩膜的膜层间可镀以对工作波长的高反膜，得到反射式可饱和吸收体器件。
本发明的基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体器件的应用，用于对连续激光进行脉冲调制，包括被动调Q或被动锁模。
另一方面，本发明提供一种基于结构ENZ可饱和吸收体器件的全固态脉冲激光器，包括沿光路依次安放的泵浦源、聚焦系统、输入镜、增益介质、所述可饱和吸收体器件和输出镜。将所述结构ENZ可饱和吸收体器件放于谐振腔内，聚焦后的泵浦光经输入镜输入到激光增益介质中，产生的激光经本发明的结构ENZ可饱和吸收体器件调制，从输出镜输出脉冲激光。所述输入镜和输出镜均镀以对激光工作波段的有利于激光振荡的介质膜。
上述全固态脉冲激光器的谐振腔参数可自行设计，如腔长、前后腔镜的曲率、输出镜的耦合透过率等，并可根据实际需要添加全反镜以改变腔型，相关设计是本领域熟知的技术。
本发明还提供一种基于结构ENZ可饱和吸收体器件的光纤脉冲激光器，包括泵浦源、波分复用器、增益光纤、光隔离器、所述结构ENZ可饱和吸收体器件、光纤输出耦合器以及偏振控制器，依次首尾连接构成。泵浦源输出的光经波分复用器注入到增益光纤中，增益光纤另一端连接光隔离器，光隔离器另一端连接所述结构ENZ可饱和吸收体器件和光纤输出耦合器；所述结构ENZ可饱和吸收体器件放置于光隔离器与光纤输出耦合器之间；光纤输出耦合器另一端连接偏振控制器构成环形腔；其中，光纤输出耦合器的一个端口用于信号监控与输出，另一个端口可将其余激光反馈回腔内继续运转。
上述光纤脉冲激光器的谐振腔参数可自行设计，如腔长、增益光纤的长度、光纤输出耦合器的参数等，并可根据实际需要改变腔型，相关设计是本领域熟知的技术。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体器件，充分利用了结构ENZ薄膜的ENZ场增强效应引起的优异的可饱和吸收性能，对连续激光进行调制，产生脉冲激光输出。
(1)基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体器件在0°激光辐照下依然可以产生强的饱和吸收特性，可有效利用ENZ材料的ENZ效应引起的强的非线性光学性能。其中基于等边三角形光栅微结构陈列层的ENZ可饱和吸收体器件在0°激光辐照下的饱和吸收效应可接近最优。
(2)基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体器件具有较高的损伤阈值，能够用于高功率激光器的研制。
(3)基于微结构掩膜制备的结构ENZ薄膜生产成本低，可大面积制备，便于集成，有利于产业化生产。
附图说明
图1为基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体器件的结构示意图，其中a微结构阵列为微球，b微结构阵列为光栅。
图2为实施例1中测试结构ENZ可饱和吸收体器件的饱和吸收特性的Z-scan实验装置。
图3为当激光波长为1340nm时，具有相同沉积厚度的ITO和结构ITO薄膜的饱和吸收结果示意图。
图4为基于结构ITO可饱和吸收体器件的全固态被动调Q激光器结构示意图。
图5为实施例3中的基于结构ITO可饱和吸收体的调Q激光输出脉宽和对应的重复频率图。
图6为典型的基于结构ITO可饱和吸收体的输出调Q激光的脉冲序列和单脉冲图。
图7为基于结构ITO可饱和吸收体的输出调Q激光的光谱图。
图8为基于结构ITO可饱和吸收体器件的全固态被动锁模激光器结构示意图.
图9为基于结构ITO可饱和吸收体器件的光纤被动调Q激光器结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1
一种基于结构ITO薄膜的可饱和吸收体器件，结构示意图如图1左图所示。包括厚度为3mm的石英衬底1，颗粒直径为580nm的SiO2微结构陈列层2及沉积在衬底上面的结构ITO薄膜3。ITO薄膜由电子束蒸发技术制得，沉积厚度为92nm。
通过开孔Z-scan测试具有波纹结构的ITO薄膜和在相同条件下制备的平面ITO薄膜在ENZ区域的饱和吸收特性。实验装置如图2所示，包含泵浦源4、能量调节模块5、分光镜6、聚焦透镜7、ITO样品8、第一能量计9、反射镜10、第二能量计11。激发光源为波长为1340nm的飞秒激光器，脉冲宽度为230fs，重复频率为1KHz。利用半波片和偏振器组成的能量调节模块调节入射激光的能量。光束一通过聚焦透镜照射在样品上，光束二作为参考光。聚焦透镜的焦距为150mm。实验过程中，ITO样品沿光轴方向直线移动，辐照在样品的光束能量密度逐渐升高，并在焦点位置达到最大，样品通过焦点后光束能量密度逐渐降低。在相同的辐照功率下，测试了具有相同厚度的结构ITO薄膜样品和平面ITO薄膜样品的非线性吸收。
实验结果如图3所示，在正入射(0°)激光辐照下，结构ITO和平面ITO的响应幅度ΔT/T0分别为32.5％和5.5％，相应的调制深度为15.1％和3.4％，结构ITO样品的饱和吸收明显优于相同实验条件下平面ITO的响应。平面ITO薄膜在最佳条件TM-60°激光辐照下，响应幅度ΔT/T0为32.1％，调制深度为10.1％。结构ITO在正入射下的饱和吸收与平面ITO在最优条件下(TM-60°)下的饱和吸收相应相当。结果表明，结构ITO薄膜的非线性吸收响应摆脱了角度依赖和偏振依赖的限制，在0°入射条件下仍然表现出良好的饱和吸收性能。
实施例2
根据实施例1所述的一种基于结构ITO薄膜的可饱和吸收体器件，其区别在于，在石英衬底和微结构掩膜层之间通过磁控溅射技术沉积反射膜。然后，在反射衬底上通过电子束蒸发沉积结构ITO薄膜，获得反射式可饱和吸收体器件。
实施例3
一种基于结构ITO可饱和吸收体器件的如图4所示的全固态被动调Q激光器，包括沿光路依次安放的泵浦源12、光纤耦合系统13、聚焦系统14、输入镜15、激光增益介质16、实施例1所述结构ITO可饱和吸收体器件17、输出镜18。将结构ITO可饱和吸收体器件放于谐振腔内，形成调Q脉冲激光输出。
输入镜15与输出镜18形成谐振腔，谐振腔长度为31mm。
泵浦源12为发射波长为808nm的激光二极管，提供泵浦能量。
输入镜15为平面镜，靠近聚焦系统14的表面镀以对808nm增透的介质膜，另一端表面镀以对1.3-1.4μm高反的介质膜；
激光增益介质16为掺杂浓度为0.5at.％的Nd:YVO4晶体，尺寸为3×3×5mm3，入射和出射端面均镀有对808nm、1.06μm、1.34μm增透的介质膜。
输出镜18为平凹镜，直径为20mm，曲率半径为100mm，凹面镀以对1.3-1.4μm部分透过的介质膜，透过率为15％，另一面镀以对1.3-1.4μm增透的介质膜。
该实施例中全固态脉冲激光器的谐振腔参数可自行设计，如腔长、前后腔镜的曲率、输出镜的耦合透过率等，并可根据实际需要添加全反镜以改变腔型，相关设计是本领域熟知的技术。
图5为典型的基于结构ITO可饱和吸收体器件的输出调Q激光的脉冲序列和单脉冲图，最窄脉宽为87.6ns，对应的重复频率为385.0kHz。
图6为典型的基于结构ITO可饱和吸收体器件的输出调Q激光的脉冲序列图。
图7为基于结构ITO可饱和吸收体器件的输出调Q激光的光谱图，中心波长为1339.2nm。
实施例4
一种基于结构ITO可饱和吸收体器件的如图8的全固态被动锁模激光器，包括沿光路依次安放的泵浦源19、光纤耦合系统20、聚焦系统21、输入镜22、激光增益介质23、平凹反射镜24、结构ITO可饱和吸收体器件17、输出镜25。将结构ITO可饱和吸收体器件放于谐振腔内，形成锁模脉冲激光输出。
实施例5
一种基于结构ITO可饱和吸收体器件的光纤脉冲激光器，如图9所示，包括泵浦源26、波分复用器27、增益光纤28、光隔离器29、所述结构ITO可饱和吸收体器件17、光纤输出耦合器30、偏振控制器31，依次首尾连接构成。泵浦源26输出的光经波分复用器27注入到增益光纤28中，增益光纤另一端连接光隔离器29，光隔离器29另一端连接所述结构ITO可饱和吸收体器件17和光纤输出耦合器30；所述结构ITO可饱和吸收体器件17放置于光隔离器29与光纤输出耦合器30之间；光纤输出耦合器30另一端连接偏振控制器31构成环形腔；其中，光纤输出耦合器30的一个端口用于信号监控与输出，另一个端口可将其余激光反馈回腔内继续运转。
Claims (10)
1.一种基于结构介电常数近零(ENZ)薄膜的可饱和吸收体器件，其特征在于，包括：
衬底；微结构阵列层，放置在所述衬底上，由陈列排布的微结构单元组成，各微结构单元为轴对称结构；
结构ENZ薄膜，沉积在所述微结构阵列上，且与各微结构单元构成的微结构阵列具有相同波纹结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体器件，其特征在于，所述结构ENZ薄膜为掺锡氧化铟(ITO)、氧化镉、掺镓氧化锌中一种或多种组合。
3.根据权利要求1所述的一种基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体器件，其特征在于，所述微结构单元为SiO2球、SiO2光栅、SiO2圆锥中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体器件，其特征在于，所述衬底为石英、蓝宝石、云母片等透明衬底中的一种。
5.一种如权利要求1-4任一所述可饱和吸收体器件的制备方法，其特征在于，通过自组装工艺或机械刻蚀工艺和电子束蒸发方法制得，具体步骤包括：
(1)加工具有纳米级别尺寸的微结构单元，或直接在透明衬底表面刻蚀微结构单元形成微结构阵列层；
(2)通过自组装工艺将微结构单元转移到清洗后的透明衬底上，形成微结构阵列层；
(3)采用电子束蒸发技术或磁控溅射技术，在微结构阵列层上沉积ENZ薄膜，得到的薄膜即为结构ENZ薄膜，得到所述可饱和吸收体器件。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述(1)加工具有纳米级别尺寸的微结构单元，具体包括法、激光加工、机械刻蚀等方法，所述激光加工和机械刻蚀方法可直接在透明衬底表面加工微结构阵列层。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述衬底透明，背面可镀以有利于激光振荡的介质膜，外包制冷铜块，减小在工作波段的损耗和热效应。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述衬底与所述微结构阵列层之间可镀以对工作波长的高反膜，得到反射式可饱和吸收体器件。
9.一种基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体器件的全固态脉冲激光器，其特征在于，所述全固态脉冲激光器使用权利要求1所述的基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体器件。
10.一种基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体器件的光纤脉冲激光器，其特征在于，所述光纤脉冲激光器使用权利要求1所述的基于结构ENZ薄膜的可饱和吸收体器件。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310939899.2A CN116937312A (zh) | 2023-07-28 | 2023-07-28 | 一种基于结构介电常数近零薄膜的可饱和吸收体器件、制备方法及应用 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310939899.2A CN116937312A (zh) | 2023-07-28 | 2023-07-28 | 一种基于结构介电常数近零薄膜的可饱和吸收体器件、制备方法及应用 |
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|---|---|
| CN (1) | CN116937312A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117784301A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-03-29 | 中国人民解放军海军工程大学 | 多层掺杂纳米膜结构的宽频带光学吸收器件及其制作方法 |
-
2023
- 2023-07-28 CN CN202310939899.2A patent/CN116937312A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117784301A (zh) * | 2023-12-21 | 2024-03-29 | 中国人民解放军海军工程大学 | 多层掺杂纳米膜结构的宽频带光学吸收器件及其制作方法 |
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