CN208782231U - 一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件 - Google Patents
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Abstract
一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，器件结构由外尔半金属材料构成的可饱和吸收层和承载该饱和吸收层所需的光学薄膜功能层组成；所述的外尔半金属薄膜可饱和吸收器件分为反射型和透射型两种模式，其中，反射型结构由上至下为：光学衬底层（1）、外尔半金属可饱和吸收薄膜层（2）、缓冲层(3)和反射层(4)；透射型结构由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光技术，具体是一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器及脉冲激光器。
背景技术
超短脉冲激光光源在生物成像、通信、医疗手术和分子光谱等领域都具有极高的应用价值。超短脉冲激光主要通过被动锁模方式实现。被动锁模具有无需外加调制设备、产生的脉冲宽度窄、脉冲激光输出稳定性强等优点。获得饱和吸收效应的器件或机制是实现被动锁模的关键条件。半导体可饱和吸收镜(SESAMs) 具有显著的饱和吸收光学特性(光吸收随入射光功率的增大而减小)，已被广泛的研究并应用于被动锁模激光器中。商用的SESAMs为半导体量子阱结构，其饱和吸收层的材料通常选用GaAs，InP等。受限于这些半导体材料的带隙等因素，SESAMs的工作带宽通常只能覆盖可见光到近红外波段(<2μm)，很难在长波长(>2μm)或中红外波段工作。另一方面，SESAMs仅可通过离子轰击、低温生长这两种方法实现对材料载流子弛豫时间的精确调控。而这些工艺自身存在着各自的缺陷。寻找宽带工作器件特别是长波长工作的器件，以及新工艺实现对器件的多种非线性光学参数的调控，已成为超快激光技术研究领域的一个热点问题。
尽管已有研究人员提出了利用碳纳米管、石墨烯、黑磷、二维过渡金属硫化物等具有宽带光学开关效应的低维纳米材料制作宽带的可饱和吸收器件。但就其制备工艺而言，这些材料的制备通常采用液相剥离或后转移的方法，会导致材料中存在着大量的缺陷态，降低了器件制造的一致性。另一方面，基于这些材料的饱和吸收体还没有一套高度可靠的非线性光学参数调控方案被提出。这都极大的限制了超短脉冲激光的产生和发展。
实用新型内容
本实用新型目的是，针对现有技术的不足，提供了一种工作范围覆盖近红外至中红外波段、非线性光学参数高度可控的可饱和吸收器件。
本实用新型的技术方案：一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，器件结构由外尔半金属材料构成的可饱和吸收层和承载该饱和吸收层所需的光学薄膜功能层组成；所述的外尔半金属薄膜可饱和吸收器件分为反射型和透射型两种模式，其中，反射型结构由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)和反射层(4)；透射型结构由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)。
所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的饱和吸收薄膜层(2)由零带隙、线性能量色散关系外尔半金属材料构成；所述外尔半金属材料包括二碲化钨(WTe 2)、砷化钽(TaAs)、磷化钽(TaP)和砷化铌(NbAs)；吸收层厚度选为1-1000nm，工作带宽覆盖1-10微米的近红外和中红外波段，实现对器件的多种非线性参数精确操控。
所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的饱和吸收层(2)通过控制退火时的温度、在材料中引入不同的元素缺陷度，或者通过施加横向或纵向电场均可实现对器件光学非线性参数的动态调控。
通过控制缓冲层的厚度使可饱和吸收层在相应的工作波长具有不同的线性吸收率，进而可调控器件的饱和光强与可饱和吸收曲线。所述的缓冲层可通过激光脉冲沉积(PLD)、磁控溅射、热蒸发、PECVD等方法实现。
所述的光学衬底层在工作波段需要高度透明。光学衬底的材料可为二氧化硅(SiO2)、砷化镓(GaAs)、氧化铝(Al2O3)、氟化钙(CaF2)和云母等，衬底厚度为0.1-10mm。
光学反射层可以选择宽带高反射率的金属膜。包括金、银或铝膜，也可以是具有特定波长全反射的布拉格反射光栅及高反射率的光学镀膜材料。
所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件的脉冲激光器，所述激光谐振腔使用提供的可饱和吸收器作为开关元件，实现宽波段的脉冲激光输出；所述激光器包括固体以及光纤激光的形式的激光器；所述饱和吸收器件可以选择工作在透射或反射形式；激光器应包括泵浦源，增益介质，谐振腔及所述饱和吸收器件。激光器可以工作在调Q及锁模方式。
所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件的制备方法，在高度透明的光学衬底上使用激光脉冲沉积技术生长高结晶质量的外尔半金属薄膜；然后通过磁控溅射、激光脉冲沉积或热蒸发的方法直接将缓冲层镀膜在可饱和吸收层上；最后，再次使用激光脉冲沉积、磁控溅射和热蒸发等技术在缓冲层的表面上镀上反射层。
基于外尔半金属薄膜的中红外可饱和吸收器，它是由激光脉冲沉积法生长的外尔半金属薄膜充当可饱和吸收层，配合设计所需的光学薄膜功能层而构成。由于器件使用了零带隙、线性能带关系的第二类外尔半金属作为可饱和吸收层，其工作带宽可覆盖近红外至中红外波段。并且通过控制可饱和吸收材料的元素缺陷度、或构建相应的缓冲层厚度、或施加外加电压，可实现对器件的多种非线性光学参数的精确调控。此外，本实用新型还进一步提供了如何应用该器件产生超短脉冲激光的具体实施方案。
有益效果：本实用新型采用激光脉冲沉积生长的外尔半金属(Weyl semimetals)薄膜作为可饱和吸收层，通过控制退火时的温度、或控制缓冲厚度、或施加外加电压等外部手段，可实现对器件的多种非线性光学参数调控。使用本实用新型提供的外尔半金属可饱和吸收器，可以实现宽波段范围激光的调Q或锁模。
附图说明
图1是实施例中反射型外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的示意图。
图2是实施例中透射型外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的示意图。
图3是实施例中透射式外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的参数调谐示意图。
图4是实施例中基于反射式外尔半金属薄膜可饱和吸收器的宽波段固体脉冲激光器的示意图。
图5是实施例中基于透射式外尔半金属薄膜可饱和吸收器的宽波段光纤脉冲激光器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述。
具体的实施方案为：一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其结构由外尔半金属薄膜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薄膜功能层组成。所述的外尔半金属薄膜可饱和吸收器件分为反射型和透射型两种模式。其中，反射型结构布局由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)和反射层(4)；透射型结构布局由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)。
所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的饱和吸收层(2)由零带隙、线性能量色散关系外尔半金属材料构成。其材料包括二碲化钨(WTe2)、砷化钽(TaAs)、磷化钽(TaP)和砷化铌(NbAs)等。吸收层厚度可选为1-1000nm，工作带宽覆盖1-10微米的近红外和中红外波段，且可实现对器件的多种非线性参数精确操控。
所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的饱和吸收层(2)通过控制退火时的温度可在材料中引入不同的元素缺陷度，或者通过施加横向或纵向电场均可实现对器件光学非线性参数的动态调控。
所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的缓冲层(3)其材料可选用氧化铝 (Al2O3)、砷化镓(GaAs)、二氧化硅(SiO2)等材料中的一种或几种。缓冲层的厚度通常为0.001-100μm。通过控制缓冲层的厚度可使可饱和吸收薄膜在相应的工作波长具有不同的线性吸收率，进而可调控器件的饱和光强与可饱和吸收曲线。
所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的缓冲层(3)可通过激光脉冲沉积、磁控溅射、热蒸发、PECVD等方法实现。
所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器中的光学衬底(1)在工作波段需要高度透明。光学衬底的材料可为二氧化硅(SiO2)、砷化镓(GaAs)、氧化铝(Al2O3)、氟化钙(CaF2)和云母等，衬底厚度为0.1-10mm。
所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器中的反射层(4)可以选择宽带高反射率的金属膜，包括金、银或铝膜。也可以是具有特定波长全反射的布拉格反射光栅及高反射率的光学镀膜材料。
所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器的制备方法为：在高度透明的光学衬底 (1)上使用脉冲激光沉积技术生长高结晶质量的外尔半金属薄膜。然后通过磁控溅射、脉冲激光沉积或热蒸发的方法直接将缓冲层(3)镀膜在可饱和吸收层 (2)上；最后，再次使用激光脉冲沉积、磁控溅射或热蒸发等技术在缓冲层(3) 的表面上镀上反射层(4)。
所述基于外尔半金属薄膜可饱和吸收器的宽波段脉冲激光器，应包括泵浦源，中红外增益介质，谐振腔及所述饱和吸收器件。激光器可以工作在调Q及锁模方式。
所述基于外尔半金属薄膜可饱和吸收器的宽波段脉冲激光器包括固体以及光纤激光的形式。所述饱和吸收器件可以选择工作在透射或反射形式。
图1提供了一种反射型外尔半金属薄膜可饱和吸收器的实施例设计方案。可饱和吸收器件的饱和吸收层和所需的光学薄膜功能层分为反射型和透射型两种结构。
其中，反射型结构布局由上至下分布为：光学衬底层、外尔半金属薄膜可饱和吸收层、光学缓冲层和反射层；透射型结构布局为：光学衬底层、外尔半金属薄膜可饱和吸收层、光学缓冲层。
首先选用云母作为饱和吸收体的衬底(1)。所述光学衬底表面光滑、粗糙度低、容易清洗，用于生长外尔半金属材料并进行光学镀膜。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，衬底厚度是0.1-10mm。
典型的实例为：将纯度为99.999％的钨源和碲源按照1:2的剂量在700℃的条件加热一周制备出WTe2目标靶材料。使用干粉压机将该靶材料压入硬靶中，同时将其密封在真空管中进行煅烧。之后进行镀膜操作，将干净的云母衬底放置在脉冲激光沉积设备的真空腔中，使用波长为248nm的KrF准分子激光束将薄膜沉积到衬底表面，操作过程中温度保持300℃，时间大约30分钟。沉积在云母衬底(1)上沉积30nm厚度的WTe2，形成可饱和吸收层(2)。由于制备出的薄膜呈现出不均一的形态，因此我们需要进行退火处理来弥补材料生长过程中相应的Te缺陷，退火时温度大致控制在700℃。根据退火过程中加入的Te元素剂量的不同，我们可以制备出不同缺陷度的WTe2样品。基于此条件可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、非线性损耗的可饱和吸收器件。脉冲激光沉积方式制备的外尔半金属材料结晶质量及非线性光学性能可重复度较高。
饱和吸收材料还可包括二碲化钨(WTe2)、砷化钽(TaAs)、磷化钽(TaP) 和砷化铌(NbAs)等，均可达到本实用新型的效果，吸收层厚度可选为1-1000 nm，尤其是200-600nm。然后使用磁控溅射、电子束蒸发或热蒸发等方法直接在可饱和吸收层(2)上生长一定厚度的缓冲层(3)。缓冲层的材料要求具有极高的稳定性能适应各种工作环境的需求并在工作波长波段需要高度透明，优选的材料有二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)和氟化钙(CaF2)等。最后在缓冲层 (3)的上方使用电子束蒸镀法蒸镀80nm厚度的反射层(4)，其可选包括金、银、铝等高反射率的光学镀膜材料。
图2提供了一种透射式外尔半金属薄膜可饱和吸收器的设计方案。将外尔半金属薄膜饱和吸收层(2)通过脉冲激光沉积方法直接沉积在光学衬底(1)上，然后使用磁控溅射、脉冲激光沉积、电子束蒸发或热蒸发进行缓冲层(3)的镀膜，沉积缓冲层对外尔半金属材料具有保护作用，缓冲层的典型厚度为一百纳米到几十微米，一般1-5微米更好。此外，通过控制缓冲层的厚度可使饱和吸收层在相应的工作波长具有不同的线性吸收率，进而可调控器件的饱和光强与可饱和吸收曲线。
图3提供了一种透射式饱和吸收器件的参数调谐设计方案。通过紫外光刻法，在可饱和吸收器的两端构建电极，在这里要求介质层尽量薄，以免对施加的电场造成较大影响。通过对电极施加横向电场，可实现对可饱和吸收器多种非线性参数的动态调控。
图4提供了基于反射式饱和吸收器件的脉冲固体激光器实施例。激光器包括半导体泵浦源(1)，聚焦透镜(2)、(3)，平凹反射镜(4)、(6)、(7)，激光晶体(5)，输出耦合镜(9)以及反射式外尔半金属薄膜饱和吸收体(8)。泵浦光(1)被准直聚焦到激光晶体(5)上被吸收而产生信号光，并在腔镜(4)(6) (7)(8)(9)构成的谐振腔中振荡。外尔半金属薄膜可饱和吸收体(8)对光具有可饱和吸收特性，从而在谐振腔内形成脉冲激光。部分激光被输出耦合镜(9) 透射成为激光输出。
图5所示为基于外尔半金属薄膜可饱和吸收体的超短脉冲光纤激光器实施例。
激光器采用环形谐振腔结构，包括波分复用器(2)，增益光纤(3)，隔离器(4)，光纤耦合器(5)以及透射式外尔半金属薄膜可饱和吸收器(6)。泵浦光(1)通过波分复用器(2)注入到增益光纤(3)产生信号光，外尔半金属可饱和吸收器(6)对振荡光选择性吸收，产生超短脉冲，隔离器(4)保证激光在腔内的单向传输，光纤耦合器(5)将一部分能量提取到腔外作为输出。
本实用新型并不限于上述实施方式，采用与本实用新型上述实施实例相同或近似的结构，而得到的其它结构设计，均在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：器件结构由外尔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薄膜功能层组成；所述的外尔半金属薄膜可饱和吸收器件分为反射型和透射型两种模式，其中，反射型结构由上至下为：光学衬底层（1）、外尔半金属可饱和吸收薄膜层（2）、缓冲层 ( 3 ) 和反射层 ( 4 ) ；透射型结构由上至下为：光学衬底层 ( 1 )、外尔半金属可饱和吸收薄膜层 ( 2 ) 、缓冲层 (3 )。
2.根据权利要求1所述的基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：所述饱和吸收薄膜层 ( 2 )包括二碲化钨( WTe2 )、砷化钽 ( TaAs )、磷化钽 (TaP) 或砷化铌(NbAs )；吸收层厚度选为1-1000 nm。
3.根据权利要求1所述的基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：所述的光学衬底层在工作波段需要高度透明；光学衬底的材料为二氧化硅 ( SiO2 )、砷化镓 (GaAs )、氧化铝( Al2O3 )、氟化钙 ( CaF2 ) 或云母，衬底厚度为0.1-10 mm。
4.根据权利要求1所述的基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：光学反射层选择宽带高反射率的金属膜，包括金、银或铝膜或具有全反射的布拉格反射光栅及高反射率的光学镀膜材料。
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| CN112217087A (zh) * | 2019-07-11 | 2021-01-12 | 南京南智先进光电集成技术研究院有限公司 | 一种中红外激光产生装置 |
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