二維層狀材料可飽和吸收體器件及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種二維層狀材料可飽和吸收體器件，包括一基底，所述基底為鍍有背電極的高反射鏡，高反射鏡上依次設(shè)置有介質(zhì)層、二維層狀可飽和吸收材料，所述二維層狀可飽和吸收材料上蒸鍍有電極，所述電極與所述背電極之間設(shè)置有電壓源，所述二維層狀可飽和吸收材料上方設(shè)置一附著有可飽和吸收器件的光纖尾纖。這種方法不但繼承了二維層狀飽和吸收體的優(yōu)點，如高性能、低制作成本和易于整合等，而且可以通過調(diào)節(jié)柵壓，自由調(diào)節(jié)激光器鎖模的啟動閾值，實現(xiàn)CW光和Pulse光的快速切換。
【專利說明】二維層狀材料可飽和吸收體器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖激光器領(lǐng)域，具體涉及一種二維層狀材料可飽和吸收體器件及其制備方法，尤其涉及一種用于光纖激光器中調(diào)Q、鎖模、光信號處理的可飽和吸收器件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，鎖模光纖激光器作為塊狀固體激光器的替代品，以其優(yōu)秀的光束質(zhì)量，小型化、集約化的器件結(jié)構(gòu)，易于散熱，易于整合到光纖通信系統(tǒng)中的優(yōu)良特性，在微加工、光通訊、醫(yī)療、科研等多領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。其中，鎖模器件作為構(gòu)成鎖模光纖激光器的重要部分，其特性直接影響了激光器的性能。目前市場上，鎖模光纖激光器中使用的鎖模器件主要為基于II1- V族半導(dǎo)體的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)。但是，SESAM存在許多難以克服的缺點。首先，SESAM需要復(fù)雜且昂貴的制造系統(tǒng)，制造工藝復(fù)雜，成本高；其次，由于II1- V族半導(dǎo)體具有固有帶隙，其飽和吸收光譜范圍狹窄；再次，SESAM的光損傷閾值低，很難應(yīng)用在高功率激光領(lǐng)域中。近年來，單壁碳納米管(SWCNT)和以石墨烯為代表的二維層狀材料是受到該領(lǐng)域關(guān)注較多的兩類替代SESAM的新型可飽和吸收體材料。SWCNT和石墨烯都具有電子弛豫時間短、易于制作、成本低、光損傷閾值高的優(yōu)點。與石墨烯相比，SffCNT的不均勻的手型性質(zhì)導(dǎo)致了難于精確地控制可飽和吸收體的性質(zhì)，并且限制了飽和吸收的帶寬。對于石墨烯等二維層狀材料而言，如何降低鎖模啟動閾值是這類可飽和吸收體實現(xiàn)市場應(yīng)用的一個非常重要的任務(wù)。此外，如何實現(xiàn)連續(xù)光(CW)和脈沖光(pulse)輸出的快速切換，也是鎖模光纖激光器領(lǐng)域亟需解決的一個問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的以上問題，提供一種二維層狀材料可飽和吸收體器件及其制備方法，這種方法不但繼承了二維層狀飽和吸收體的優(yōu)點，如高性能、低制作成本和易于整合等，而且可以通過調(diào)節(jié)柵壓，自由調(diào)節(jié)激光器鎖模的啟動閾值，實現(xiàn)CW光和PulSe光的快速切換。
[0004]為實現(xiàn)上述技術(shù)目的，達到上述技術(shù)效果，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0005]一種二維層狀材料可飽和吸收體器件，包括一基底，所述基底為鍍有背電極的高反射鏡，高反射鏡上依次設(shè)置有介質(zhì)層、二維層狀可飽和吸收材料，所述二維層狀可飽和吸收材料上蒸鍍有電極，所述電極與所述背電極之間設(shè)置有電壓源，所述二維層狀可飽和吸收材料上方設(shè)置一附著有可飽和吸收器件的光纖尾纖。
[0006]優(yōu)選的，所述二維層狀可飽和吸收材料為石墨烯、硅烯、152、]?052、812了63、812563或Sb2Te3.
[0007]優(yōu)選的，所述二維層狀可飽和吸收材料為石墨烯、硅烯、132、]?032、8丨2了63、8丨2363或Sb2Te3中兩種或三種材料的疊層異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
[0008] 優(yōu)選的，所述介質(zhì)層為二氧化硅，二氧化鈦或三氧化二鋁制成，其厚度為20_400nm。
[0009]進一步的，所述高反射鏡對可見光到近紅外波段的激光具有95%以上的反射率。
[0010]一種二維層狀材料可飽和吸收體器件的制備方法，包括以下步驟:
[0011]步驟I)在硅襯底上覆蓋一層高反射銀膜；
[0012]步驟2)在高反射銀膜覆蓋的硅襯底上蒸鍍一層介質(zhì)層；
[0013]步驟3)將生長完成的二維層狀可飽和吸收材料轉(zhuǎn)移到介質(zhì)層上；
[0014]步驟4)在二維層狀可飽和吸收材料上用磁控濺射法蒸鍍一層電極；
[0015]步驟5)在電極與高反射銀膜之間施加電壓。
[0016]優(yōu)選的，所述電極為金、銀或鈦制成。
[0017]優(yōu)選的，所述電壓由聲光調(diào)制器供給。
[0018]優(yōu)選的，所述介質(zhì)層為二氧化硅，二氧化鈦或三氧化二鋁制成，其厚度為20_400nm。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:
[0020]1、本發(fā)明使用石墨烯、娃烯、石墨烯衍生物、及WS2、MoS2、Bi2Te3、Bi2Se3或Sb2Te3等二維層狀材料組成的疊層異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為新型可飽和吸收體材料，并且使用鍍有介電材料的反射鏡作為基底，制成可以通過外加?xùn)艍赫{(diào)控器件飽和吸收特性的可飽和吸收體，用于取代傳統(tǒng)的SESAM飽和吸收體。這種方法不但繼承了二維層狀飽和吸收體的優(yōu)點，如高性能、低制作成本和易于整合等，而且可以通過調(diào)節(jié)柵壓，自由調(diào)節(jié)激光器鎖模的啟動閾值，實現(xiàn)Cff光和Pulse光的快速切換。
[0021]2、二維層狀原子晶體材料通常體現(xiàn)出其相應(yīng)的體材料中所沒有的性質(zhì)。以石墨烯為代表，其體現(xiàn)出獨特的零帶隙能帶結(jié)構(gòu)和超快的電子弛豫時間，因此具有超寬的飽和吸收光譜和超短的脈沖輸出特性。石墨烯滿足飛秒級超短脈沖輸出及若干皮秒尺度或更短快速恢復(fù)時間的要求，適用于超快鎖模激光器。而其它二維層狀原子晶體材料，典型的代表如MoS2，具有極高的載流子遷移率和優(yōu)秀的光學(xué)性質(zhì)，可實現(xiàn)較低的不飽和損耗，較高的轉(zhuǎn)換效率，有潛力在特定波段成為SESAM可飽和吸收體的替代品。此外，這些二維材料制備簡單，價格低廉，易于轉(zhuǎn)移到基底，進而整合到激光腔當中。它們的機械性能也非常突出，光損傷閾值高，在高功率光纖激光器中也具有應(yīng)用潛力。
[0022]3、將二維層狀可飽和吸收材料轉(zhuǎn)移到鍍有Si02介質(zhì)材料的高反射鏡上，并且通過外加電壓或者聲光調(diào)制器，調(diào)節(jié)可飽和吸收體的費米能級，達到調(diào)節(jié)激光器鎖模閾值和Cff/Pulse光信號輸出靈活切換的功能。同時還可以降低激光器的鎖模閾值，實現(xiàn)在輸入泵浦很低的情況下產(chǎn)生脈沖光，應(yīng)用于小功率光纖鎖模激光器。
[0023]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細說明如后。本發(fā)明的【具體實施方式】由以下實施例及其附圖詳細給出。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。在附圖中:
[0025]圖1為二維層狀材料可飽和吸收體器件結(jié)構(gòu)示意圖；[0026]圖2為二維層狀可飽和吸收體的石墨烯示意實例；
[0027]圖3為二維層狀材料可飽和吸收體器件的制備示意圖1 ;
[0028]圖4圖3為二維層狀材料可飽和吸收體器件的制備示意圖2 ；
[0029]圖5為可飽和吸收器件以反射形式添加到激光諧振腔中的示例；
[0030]圖6為可飽和吸收器件的另一種結(jié)構(gòu)以及可飽和吸收器件以反射形式添加到激光諧振腔中的另一個示例；
[0031]圖7為具有線性腔的光纖激光器示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面將參考附圖并結(jié)合實施例，來詳細說明本發(fā)明。
[0033]參照圖1所示，一種二維層狀材料可飽和吸收體器件，包括一基底，所述基底為鍍有背電極41的高反射鏡51，所述高反射鏡51對可見光到近紅外波段的激光具有95%以上的反射率。
[0034]高反射鏡5上依次設(shè)置有介質(zhì)層3、二維層狀可飽和吸收材料2，介質(zhì)層3為二氧化硅、二氧化鈦或三氧化二鋁制成，其厚度為20-400nm ;所述二維層狀可飽和吸收材料2為石墨烯、硅烯、WS2、MoS2、Bi2Te3、Bi2Se3或Sb2Te3 ;所述二維層狀可飽和吸收材料2為石墨烯、硅烯、WS2、M0S2、Bi2Te3、Bi2Se3或Sb2Te3中兩種或三種材料的疊層異質(zhì)結(jié)構(gòu)。二維層狀可飽和吸收材料2描述的是有關(guān)材料而不受用來制備所屬材料的方法的限制，所述方法包括機械剝離、外延生長、化學(xué)氣相沉積和化學(xué)加工(溶液加工)法以及激光燒蝕和過濾陰極電弧法。
[0035]所述二維層狀可飽和吸收材料2上蒸鍍有電極6，所述電極6與所述背電極41之間設(shè)置有電壓源7，所述二維層狀可飽和吸收材料2上方設(shè)置一附著有可飽和吸收器件8的光纖尾纖I。
[0036]入射光以光纖尾纖I為傳輸介質(zhì)照射到可飽和吸收器件8上，再反射回光纖當中，可飽和吸收器件8以反射模式運行。
[0037]參照圖2所示，圖2是二維層狀可飽和吸收體石墨烯轉(zhuǎn)移到覆蓋有IOOnm厚的二氧化硅的金的反射鏡上的示意實例，該石墨烯是通過化學(xué)氣相沉積方法(CVD)生長在銅箔表面形成的。用這種方法生長的石墨烯是連續(xù)的，具有均勻的厚度并與銅箔的尺寸一樣大，很容易就可以找到厚度相同，連續(xù)的直徑超過單模光纖直徑6.5μπι的區(qū)域。這種石墨烯可以很容易地轉(zhuǎn)移到平整的Si02/Au表面。
[0038]參照圖3、圖4所示，一種二維層狀材料可飽和吸收體器件的制備方法，包括以下步驟:
[0039]步驟I)在硅襯底上覆蓋一層高反射銀膜；
[0040]步驟2)在高反射銀膜覆蓋的硅襯底上蒸鍍一層IOOnm厚的二氧化硅介質(zhì)層；
[0041]步驟3)將生長完成的二維層狀可飽和吸收材料轉(zhuǎn)移到二氧化硅介質(zhì)層上；
[0042]步驟4)在二維層狀可飽和吸收材料上用磁控濺射法蒸鍍一層金、銀或鈦制成的電極；
[0043]步驟5)在電極與高反射銀膜之間施加電壓，電壓可以由聲光調(diào)制器供給。
[0044]參照圖5所示，圖5是可飽和吸收器件8以反射形式添加到激光諧振腔中的圖片實例。光纖尾纖I垂直于飽和吸收器件8表面。光纖尾端可以用FC/PC接口作為尾端，也可以用SMA等接口，或者裸纖輸出。光纖末端小面12垂直接觸二維可飽和吸收材料2。激光通過光纖10傳輸至光纖頭11，經(jīng)由光纖末端小面12，垂直入射到可飽和吸收器件8上。該光纖可以是普通單模光纖，也可以是多模光纖。激光透過受電壓控制的二維可飽和吸收材料2時，實現(xiàn)鎖模，并通過高反射銀膜4，反射回光纖尾纖I中，實現(xiàn)光纖諧振腔的振蕩回路。
[0045]參照圖6所示，圖6是可飽和吸收器件8的另一種結(jié)構(gòu)以及可飽和吸收器件8以反射形式添加到激光諧振腔中的另一個示例。在二維材料飽和吸收層2上采用磁控濺射等方法蒸鍍一層互不相連的金、銀、鈦或其他金屬電極14和15，分別作為兩個獨立電極。在兩個電極14和15之間以及電極14和高反射銀膜4之間分別施加電壓,該電壓可以由聲光調(diào)制器或電壓源供給。激光通過物鏡20垂直入射在可飽和吸收器件8上。激光透過受電壓控制的二維可飽和吸收材料2時，實現(xiàn)鎖模，并通過高反射銀膜4，反射回物鏡20中，實現(xiàn)光纖諧振腔的振蕩回路。
[0046]圖7是具有線性腔100的光纖激光器314的示意圖。光纖激光器314通過基于可調(diào)二維材料的可飽和吸收器件8用于鎖模和調(diào)Q?？娠柡臀掌骷?以反射方式運行。
[0047]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種二維層狀材料可飽和吸收體器件，其特征在于:包括一基底，所述基底為鍍有背電極(41)的高反射鏡(51)，高反射鏡(51)上依次設(shè)置有介質(zhì)層(3)、二維層狀可飽和吸收材料(2)，所述二維層狀可飽和吸收材料(2)上蒸鍍有電極(6)，所述電極(6)與所述背電極(41)之間設(shè)置有電壓源(7)，所述二維層狀可飽和吸收材料(2)上方設(shè)置一附著有可飽和吸收器件(8)的光纖尾纖(1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維層狀材料可飽和吸收體器件，其特征在于:所述二維層狀可飽和吸收材料(2 )為石墨烯、硅烯、WS2、MoS2、Bi2Te3、Bi2Se3或Sb2Te3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維層狀材料可飽和吸收體器件，其特征在于:所述二維層狀可飽和吸收材料(2)為石墨烯、硅烯、WS2、MoS2, Bi2Te3、 Bi2Se3或Sb2Te3中兩種或三種材料的疊層異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維層狀材料可飽和吸收體器件，其特征在于:所述介質(zhì)層(3)為二氧化硅、二氧化鈦或三氧化二鋁制成，其厚度為20-400nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維層狀材料可飽和吸收體器件，其特征在于:所述高反射鏡(5)對可見光到近紅外波段的激光具有95%以上的反射率。
6.一種二維層狀材料可飽和吸收體器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1)在硅襯底上覆蓋一層高反射銀膜； 步驟2)在高反射銀膜覆蓋的硅襯底上蒸鍍一層介質(zhì)層； 步驟3)將生長完成的二維層狀可飽和吸收材料轉(zhuǎn)移到介質(zhì)層上； 步驟4)在二維層狀可飽和吸收材料上用磁控濺射法蒸鍍一層電極； 步驟5)在電極與高反射銀膜之間施加電壓。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的二維層狀材料可飽和吸收體器件的制備方法，其特征在于:所述電極為金、銀或鈦制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的二維層狀材料可飽和吸收體器件的制備方法，其特征在于:所述電壓由聲光調(diào)制器供給。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的二維層狀材料可飽和吸收體器件，其特征在于:所述介質(zhì)層為二氧化硅、二氧化鈦或三氧化二鋁制成，其厚度為20-400nm。
【文檔編號】H01S3/098GK103904544SQ201310573566
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年11月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月15日
【發(fā)明者】鮑小志, 鮑橋梁 申請人:南通藍諾光電科技有限公司