本發(fā)明涉及衍射光柵，尤其是基于三維狄拉克半金屬材料的中紅外三維狄拉克半金屬衍射光柵，屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

紅外超短脈沖激光源是非線性光學(xué)領(lǐng)域中研究活躍的前沿課題，在通信、醫(yī)藥、外科手術(shù)和分子光譜等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用價(jià)值。中紅外脈沖激光的產(chǎn)生主要有主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式，其中被動(dòng)方式由于具有無需外部電控器件，且生成的脈沖更短，所以備受人們青睞。

光學(xué)開關(guān)器件和衍射光柵是實(shí)現(xiàn)外腔激光器被動(dòng)方式脈沖激光產(chǎn)生的核心兩個(gè)關(guān)鍵器件。光學(xué)開關(guān)器件的光吸收率隨入射光功率增大而減小，具有顯著的光學(xué)開關(guān)特征，是激光器被動(dòng)鎖模的必要器件。碳納米管、石墨烯、黑磷、二維過渡金屬硫化物、準(zhǔn)二維拓?fù)浣^緣體等低維納米材料雖然有優(yōu)秀的寬帶光學(xué)開關(guān)特性，但在制備時(shí)常采用液相剝離或后轉(zhuǎn)移方法，器件中存在大量缺陷態(tài)、難以控制材料結(jié)晶質(zhì)量、非線性光學(xué)參數(shù)和可重復(fù)性。

衍射光柵有波長(zhǎng)可選擇性，是波長(zhǎng)可調(diào)諧外腔激光器的核心器件。目前比較成熟的外腔可調(diào)諧被動(dòng)鎖模激光器的腔內(nèi)同時(shí)存在諸如碳納米管、石墨烯之類的材料作為光學(xué)開關(guān)和實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)諧的衍射光柵。使用低維納米材料作為光學(xué)開關(guān)的外腔被動(dòng)鎖模激光器腔內(nèi)器件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致這種鎖模系統(tǒng)集成度低、穩(wěn)定度差、能量損耗大等不可避免的缺點(diǎn)。光學(xué)開關(guān)和衍射光柵分開工作的同時(shí)拉長(zhǎng)激光器腔長(zhǎng)，導(dǎo)致很難獲得重復(fù)頻率高的穩(wěn)定鎖模脈沖。這種現(xiàn)狀使紅外脈沖激光難以產(chǎn)生和優(yōu)化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)紅外鎖模脈沖激光的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決以上問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種集成度高的、可靠的、參數(shù)可調(diào)控的三維狄拉克半金屬紅外衍射光柵。使用本發(fā)明提供的三維狄拉克半金屬衍射光柵，可以實(shí)現(xiàn)中紅外激光器寬光譜范圍的鎖模或調(diào)Q，從而產(chǎn)生穩(wěn)定、波長(zhǎng)可調(diào)諧、高度可重復(fù)的大功率脈沖激光輸出。本發(fā)明還具體的提供了關(guān)于三維狄拉克半金屬材料中紅外三維狄拉克半金屬衍射光柵鎖?；蛘{(diào)Q脈沖激光器的技術(shù)方案。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種三維狄拉克半金屬衍射光柵，其特征在于：使用零帶隙、線性能量色散關(guān)系的三維狄拉克半金屬材料作為衍射光柵刻線材料，該光柵工作波長(zhǎng)覆蓋2-6微米的紅外區(qū)域，多種非線性光學(xué)參數(shù)可調(diào)控；器件包括由三維狄拉克半金屬材料構(gòu)成的衍射光柵功能層和承載該功能層所需的光學(xué)元件。

所述的三維狄拉克半金屬衍射光柵具有高反射率型和低反射率型兩種模式；其中高反射率型三維狄拉克半金屬衍射光柵由上至下的如下材料分布為：功能層(1)和光學(xué)元件，所述光學(xué)元件由上至下為緩沖層(2)、反射層(3)、和光學(xué)襯底(4)；低反射率型三維狄拉克半金屬衍射光柵由上至下的如下材料分布為：功能層(1)、光學(xué)襯底(4)。

所述的功能層(1)包含三維狄拉克半金屬材料和鈍化層；其中三維狄拉克半金屬材料是一種寬帶非線性光學(xué)材料，在紅外光譜區(qū)域具有良好的光學(xué)開關(guān)性能，可以選用砷化鎘(Cd₃As₂)、鉍化鈉(Na₃Bi)、碲化鋯(ZrTe₅)等半金屬材料中的一種或幾種；三維狄拉克半金屬薄膜的典型厚度為10納米到10微米；鈍化層對(duì)三維狄拉克半金屬材料具有保護(hù)作用，可以提高器件的穩(wěn)定性，其材料要求在能適應(yīng)各種工作環(huán)境并在工作波長(zhǎng)高度透明，鈍化層材料包括二氧化硅(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)或氟化鈣(CaF₂)等；鈍化層的制備可以通過激光脈沖沉積、磁控濺射和熱蒸發(fā)和分子束外延等技術(shù)實(shí)現(xiàn)；鈍化層的典型厚度為100納米到20微米；

所述的功能層(1)具有平行刻線結(jié)構(gòu)，該刻線結(jié)構(gòu)可以使光發(fā)生色散，實(shí)現(xiàn)衍射光柵的光譜選擇功能；通過調(diào)整刻線密度(200-600lines/mm)，還可以微調(diào)三維狄拉克半金屬衍射光柵的工作波長(zhǎng)，調(diào)制深度、飽和光強(qiáng)等多種光學(xué)參數(shù)以及鎖模脈沖的線寬；刻線結(jié)構(gòu)的制備方法有紫外光刻，化學(xué)刻蝕和納米壓印等。

所述的緩沖層(2)在工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有很高的透射率，優(yōu)選的材料是砷化鎵(GaAs)、碳化硅(SiC)和氧化鋁(Al₂O₃)等，緩沖層可以通過化學(xué)氣相沉積、原子層沉積、磁控濺射、熱蒸發(fā)和激光脈沖沉積等技術(shù)制備。

三維狄拉克半金屬衍射光柵中的反射層(3)可以是寬帶的金屬反射薄膜，包括金膜、銀膜和鋁膜等；也可以是高反射率的介質(zhì)膜。

其中，所述的光學(xué)襯底(4)要求在外光譜范圍內(nèi)高度透明，優(yōu)選的光學(xué)襯底有二氧化硅(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)、氟化鈣(CaF₂)和云母(Mica)等。襯底厚度是0.1-10毫米。

所述的功能層(1)即三維狄拉克半金屬材料可以通過分子束外延、原子層沉積和化學(xué)氣相沉積等多種鍍膜方法進(jìn)行生長(zhǎng)；優(yōu)選的生長(zhǎng)工藝是分子束外延，使用該工藝生長(zhǎng)的三維狄拉克半金屬薄膜質(zhì)量好、結(jié)晶度高；Cd₃As₂薄膜分子束外延生長(zhǎng)的條件如下：使用純度為～99.999％(5N)鎘源和砷源，在超高真空、襯底溫度約為200℃的條件下生長(zhǎng)Cd₃As₂薄膜；薄膜的生長(zhǎng)過程可以使用高能電子反射(RHEED)原位監(jiān)控，一個(gè)典型的生長(zhǎng)速率是～1納米/分鐘。

通過精確控制材料的生長(zhǎng)時(shí)間、速率和溫度等條件來設(shè)計(jì)并調(diào)整該衍射光柵功能層的非線性光學(xué)參數(shù)，從而制備不同調(diào)制深度的紅外光學(xué)開關(guān)器件；通過控制生長(zhǎng)條件，可以對(duì)三維狄拉克半金屬材料本征的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，優(yōu)選的摻雜元素有Cr、In、Na和K等。

上述三維狄拉克半金屬衍射光柵在外腔半導(dǎo)體脈沖激光器、外腔固體脈沖激光器、外腔光纖脈沖激光器中的應(yīng)用。

三維狄拉克半金屬衍射光柵的制備方法，反射層(3)，包括金鏡、銀鏡和鋁鏡或高反射率的光學(xué)鍍膜等，使用磁控濺射、激光脈沖沉積電子束蒸發(fā)和熱蒸發(fā)等方法直接鍍膜在光學(xué)襯底(4)，并使用紫外光刻，化學(xué)刻蝕和納米壓印等方法將反射層材料刻蝕條紋狀的周期結(jié)構(gòu)，使其具有衍射功能。然后在反射層(3)的上方再次使用磁控濺射、激光脈沖沉積電子束蒸發(fā)和熱蒸發(fā)等技術(shù)制備緩沖層(2)，并使用紫外光刻，化學(xué)刻蝕和納米壓印等方法將緩沖層材料刻蝕條紋狀的周期結(jié)構(gòu)，使其具有衍射功能。使用分子束外延、原子層沉積和化學(xué)氣相沉積等方法在緩沖層(2)的上方制備功能層(1)中的三維狄拉克半金屬，然后使用紫外光刻，化學(xué)刻蝕和納米壓印等方法將狄拉克半金屬刻蝕條紋狀的周期結(jié)構(gòu)，使其具有衍射功能。最后在狄拉克半金屬的上方使用磁控濺射、激光脈沖沉積電子束蒸發(fā)和熱蒸發(fā)進(jìn)行鈍化層鍍膜。

其中，一個(gè)示例性的制備流程是：使用熱蒸發(fā)在氟化鈣襯底(4)的一側(cè)蒸鍍500納米厚的金膜作為反射層(3)，然后再使用激光脈沖沉積制備100納米厚的氧化鋁薄膜作為緩沖層(2)，使用分子束外延生長(zhǎng)400納米厚的三維狄拉克半金屬砷化鎘并使用紫外光刻將其刻蝕成周期狀的條紋結(jié)構(gòu)，最后再次使用激光脈沖沉積制100納米的氧化鋁作為鈍化層。

使用分子束外延生長(zhǎng)三維狄拉克半金屬材料的過程中，通過精確控制材料的生長(zhǎng)時(shí)間、速率和溫度等條件來設(shè)計(jì)并調(diào)整該衍射光柵功能層的非線性光學(xué)參數(shù)，從而制備不同調(diào)制深度、非線性損耗的紅外光學(xué)開關(guān)器件。通過控制生長(zhǎng)條件，可以對(duì)三維狄拉克半金屬材料本征的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，優(yōu)選的摻雜元素有Cr、In、Na和K等。

三維狄拉克半金屬衍射光柵在外腔半導(dǎo)體脈沖激光器、外腔固體脈沖激光器、外腔光纖脈沖激光器中的應(yīng)用。

有益效果，本發(fā)明提供的三維狄拉克半金屬衍射光柵與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于，功能層由零帶隙并具有線性能量色散關(guān)系的三維狄拉克半金屬材料組成，使得該器件可以覆蓋到長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外波段，并且弛豫時(shí)間和飽和光強(qiáng)等非線性光學(xué)參數(shù)高度可控。該光學(xué)開關(guān)器件的如上特點(diǎn)是現(xiàn)有技術(shù)所不具備的，因此該器件可以在紅外波段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高度可重復(fù)并且波長(zhǎng)可調(diào)控的脈沖輸出。將功能層與衍射光柵集成可以有效的縮短激光器腔長(zhǎng)，基于三維狄拉克半金屬衍射光柵的外腔被動(dòng)鎖模/調(diào)Q激光器具有集成度高、穩(wěn)定性高、工作波長(zhǎng)可調(diào)諧、更容易獲得高重復(fù)頻率超短脈沖等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1中高反型三維狄拉克半金屬衍射光柵1的示意圖。

圖2是實(shí)施例2中低反型三維狄拉克半金屬衍射光柵的示意圖。

圖3是實(shí)施例3中高反型三維狄拉克半金屬衍射光柵2的示意圖。

圖4是實(shí)施例4中基于三維狄拉克半金屬衍射光柵的中紅外固體脈沖激光器的示意圖。

圖5是實(shí)施例5中基于三維狄拉克半金屬衍射光柵的中紅外半導(dǎo)體脈沖激光器的示意圖。

圖6是實(shí)施例6中基于三維狄拉克半金屬衍射光柵的中紅外光纖脈沖激光器的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

功能層是三維狄拉克半金屬材料，包含三維狄拉克半金屬材料和鈍化層。其中三維狄拉克半金屬材料是一種寬譜非線性光學(xué)材料，在紅外光譜區(qū)域具有良好的光學(xué)開關(guān)性能，可選用砷化鎘(Cd₃As₂)、鉍化鈉(Na₃Bi)、碲化鋯(ZrTe₅)等半金屬材料中的一種或幾種。三維狄拉克半金屬薄膜的典型厚度為10納米到幾個(gè)微米；鈍化層對(duì)三位狄拉克半金屬材料具有保護(hù)作用，可以提高器件的穩(wěn)定性，其材料要求在能適應(yīng)各種工作環(huán)境并在工作波長(zhǎng)高度透明，優(yōu)選的材料有二氧化硅(SiO₂)、氧化鋁(Al₂O₃)和氟化鈣(CaF₂)等。鈍化層的制備可以通過激光脈沖沉積、磁控濺射和熱蒸發(fā)和分子束外延等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。鈍化層的典型厚度為100納米到幾十個(gè)微米；

三維狄拉克半金屬衍射光柵中的光學(xué)襯底要求在中外光譜范圍內(nèi)高度透明，優(yōu)選的光學(xué)襯底有二氧化硅(SiO₂)、砷化鎵(GaAs)、氧化鋁(Al₂O₃)、氟化鈣(CaF₂)和云母等，襯底厚度是0.1-10毫米。這些光學(xué)襯底制備工藝成熟、表面光滑、粗糙度低、容易清洗，適用于生長(zhǎng)三維狄拉克半金屬材料并進(jìn)行光學(xué)鍍膜。

三維狄拉克半金屬材料可以使用分子束外延(MBE)生長(zhǎng)在緩沖層上。通過這種方式制備的三維狄拉克半金屬材料結(jié)晶質(zhì)量高、缺陷少，非線性光學(xué)性能可重復(fù)度高。

功能層由零帶隙并具有線性能量色散關(guān)系的三維狄拉克半金屬材料組成，使得該器件可以覆蓋到長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外波段，并且弛豫時(shí)間和飽和光強(qiáng)等非線性光學(xué)參數(shù)高度可控。該光學(xué)開關(guān)器件的如上特點(diǎn)是現(xiàn)有技術(shù)所不具備的，因此該器件可以在紅外波段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高度可重復(fù)并且波長(zhǎng)可調(diào)控的脈沖輸出。將功能層與衍射光柵集成可以有效的縮短激光器腔長(zhǎng)，基于三維狄拉克半金屬衍射光柵的外腔被動(dòng)鎖模激光器具有集成度高、穩(wěn)定性高、工作波長(zhǎng)可調(diào)諧、更容易獲得高重復(fù)頻率超短脈沖等優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)施例1：本實(shí)施例提供了一種高反型三維狄拉克半金屬衍射光柵1的設(shè)計(jì)方案。結(jié)合圖1所示，具體方案如下：反射層(3)，包括金鏡、銀鏡和鋁鏡和高反射率的光學(xué)鍍膜等，使用磁控濺射、激光脈沖沉積電子束蒸發(fā)和熱蒸發(fā)等方法直接鍍膜在光學(xué)襯底(4)然后使用紫外光刻，化學(xué)刻蝕和納米壓印等方法將緩沖層材料刻蝕條紋狀的周期結(jié)構(gòu)，使其具有衍射功能。在反射層(3)的上方再次使用磁控濺射、激光脈沖沉積電子束蒸發(fā)和熱蒸發(fā)等技術(shù)制備緩沖層(2)然后使用紫外光刻，化學(xué)刻蝕和納米壓印等方法將緩沖層材料刻蝕條紋狀的周期結(jié)構(gòu)，使其具有衍射功能。，使用分子束外外延、原子層沉積和化學(xué)氣相沉積等方法在緩沖層(2)的上方制備功能層(1)中的三維狄拉克半金屬，然后使用紫外光刻，化學(xué)刻蝕和納米壓印等方法將狄拉克半金屬刻蝕條紋狀的周期結(jié)構(gòu)，使其具有衍射功能。最后在狄拉克半金屬的上方使用磁控濺射、激光脈沖沉積電子束蒸發(fā)和熱蒸發(fā)進(jìn)行鈍化層鍍膜。

實(shí)施例2：本實(shí)施例提供了一種低反型三維狄拉克半金屬衍射光柵的設(shè)計(jì)方案。具體設(shè)計(jì)方案，如圖2所示，具體方案如下：將功能層(1)中的狄拉克半金屬通過磁控濺射、激光脈沖沉積電子束蒸發(fā)和熱蒸發(fā)等方法直接鍍膜在光學(xué)襯底(4)，然后使用紫外光刻，化學(xué)刻蝕和納米壓印等方法將狄拉克半金屬刻蝕條紋狀的周期結(jié)構(gòu)，使其具有衍射功能。最后在狄拉克半金屬的上方使用磁控濺射、激光脈沖沉積電子束蒸發(fā)和熱蒸發(fā)進(jìn)行鈍化層鍍膜。

實(shí)施例3：本實(shí)施例提供了一種高反型三維狄拉克半金屬衍射光柵2的設(shè)計(jì)方案。具體設(shè)計(jì)方案，如圖3所示，首先在光學(xué)襯底(4)上使用紫外光刻，化學(xué)刻蝕和納米壓印等方法將光學(xué)襯底刻蝕條紋狀的周期結(jié)構(gòu)，使其具有衍射功能。其次將反射層(3)，包括金鏡、銀鏡和鋁鏡和高反射率的光學(xué)鍍膜等，使用磁控濺射、激光脈沖沉積電子束蒸發(fā)和熱蒸發(fā)等方法直接鍍膜在光學(xué)襯底(4)，并使用紫外光刻，化學(xué)刻蝕和納米壓印等方法將反射層材料刻蝕條紋狀的周期結(jié)構(gòu)，使其具有衍射功能。然后在反射層(3)的上方再次使用磁控濺射、激光脈沖沉積電子束蒸發(fā)和熱蒸發(fā)等技術(shù)制備緩沖層(2)，然后使用紫外光刻，化學(xué)刻蝕和納米壓印等方法將緩沖層材料刻蝕條紋狀的周期結(jié)構(gòu)，使其具有衍射功能。使用分子束外外延、原子層沉積和化學(xué)氣相沉積等方法在緩沖層(2)的上方制備功能層(1)中的三維狄拉克半金屬，最后在狄拉克半金屬的上方使用磁控濺射、激光脈沖沉積電子束蒸發(fā)和熱蒸發(fā)進(jìn)行鈍化層鍍膜。

實(shí)施例4：本實(shí)施例提供了基于三維狄拉克半金屬衍射光柵的固體激光器的設(shè)計(jì)方案。如圖4所示，固體增益介質(zhì)(7)被泵浦源(5)泵浦后，可在由準(zhǔn)直透鏡(6)、三維狄拉克半金屬材料三維狄拉克半金屬衍射光柵(9)和耦合輸出鏡(8)組成的諧振腔中產(chǎn)生中紅外脈沖激光。

實(shí)施例5：本實(shí)施例提供了基于三維狄拉克半金屬衍射光柵的半導(dǎo)體激光器的設(shè)計(jì)方案。如圖5所示，泵浦源(5)產(chǎn)生了紅外連續(xù)激光，該連續(xù)光經(jīng)過半導(dǎo)體激光器腔內(nèi)側(cè)的半透半反膜和三維狄拉克半金屬衍射光柵形成的微腔后，可以實(shí)現(xiàn)鎖?；蛘哒{(diào)Q，從而輸出中紅外脈沖激光。

實(shí)施例6：三維狄拉克半金屬衍射光柵還可用于紅外光纖脈沖激光器。如圖6所示，泵浦源(5)產(chǎn)生的泵浦光，經(jīng)過波分復(fù)用器(11)引入增益光纖(12)，增益光纖產(chǎn)生的紅外光在由三維狄拉克半金屬衍射光柵(9)、光纖準(zhǔn)直鏡(13)以及半反半透鏡(6)等元件組成的微腔中形成脈沖激光。

實(shí)施例7：三維狄拉克半金屬衍射光柵可以通過精確控制材料的生長(zhǎng)時(shí)間、速率和溫度等條件來設(shè)計(jì)并調(diào)整該衍射光柵功能層的厚度，從而制備出調(diào)制深度0.5％-50％范圍可調(diào)的紅外光學(xué)開關(guān)器件。