本發(fā)明涉及一種飽和吸收體的制備方法，特別是涉及一種基于過(guò)渡金屬硫化物(WS₂)實(shí)用化可飽和吸收器件及其制備方法，屬于超短脈沖光纖激光可飽和吸收體制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

可飽和吸收體被動(dòng)鎖模技術(shù)是光纖激光器中實(shí)現(xiàn)激光脈沖從皮秒到飛秒的有效方法之一。近幾年，很多不同種類的非線性材料開(kāi)創(chuàng)了可飽和吸收體的新紀(jì)元，引起了廣泛的關(guān)注。特別是，二維過(guò)渡金屬硫化物材料比如二硫化鉬(MoS₂)和二硫化鎢(WS₂)已經(jīng)受到了深入的探究而且被認(rèn)為是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ娘柡臀阵w材料。

一般而言，將過(guò)渡金屬硫化物材料飽和吸收體整合進(jìn)光纖激光器系統(tǒng)通常用以下的方式：包括將飽和吸收材料生長(zhǎng)在不同的襯底上，將飽和吸收體材料溶在不同的溶劑中或是直接將飽和吸收體材料貼附在光纖表面整合在倐逝場(chǎng)上。從實(shí)用的角度來(lái)看，任何一種方法都有缺陷，從而限制飽和吸收體材料在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用。經(jīng)常通過(guò)CVD的方法生長(zhǎng)將飽和吸收體材料生長(zhǎng)在不同的襯底上。當(dāng)將飽和吸收體整合到光纖激光器腔中時(shí)，過(guò)渡金屬硫化物材料需要從襯底上轉(zhuǎn)移到光纖的表面，材料與光纖表面通過(guò)較弱的范德瓦爾斯力結(jié)合，這樣可能導(dǎo)致飽和吸收體和光纖表面結(jié)合不是很緊密，從而增加光損耗。將飽和吸收體材料溶解在溶劑中則需要一種具有低光損失和合適折射率的溶劑。這種溶劑比較難以尋找。飽和吸收體直接貼附在光纖表面或者側(cè)邊拋磨過(guò)的光纖也會(huì)產(chǎn)生額外的光學(xué)損耗。飽和吸收體薄膜法是一種簡(jiǎn)單而且成本低有希望實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的方法。許多種類的高分子復(fù)合材料已經(jīng)被應(yīng)用，比如PMMA、聚碳酸酯、聚酰亞胺和PVA。但是，飽和吸收體材料與高分子復(fù)合材料薄膜的光學(xué)損傷閾值很大程度上取決于高分子聚合物。由于這些原因，高分子材料一般是一種有機(jī)材料，這樣會(huì)有一個(gè)比較低的激光損傷閾值，所以抗激光損傷能力較弱。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種基于WS₂的可飽和吸收體器件的制備方法，該制備方法將WS₂膜層原位生長(zhǎng)在單模光纖的FC頭表面，WS₂可與FC頭表面緊密結(jié)合，避免了轉(zhuǎn)移過(guò)程導(dǎo)致的損傷，減少光損耗，提高抗激光損傷閾值，提高脈沖激光輸出功率。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供上述制備方法制備得到的基于WS₂的可飽和吸收體器件。該基于WS₂的可飽和吸收體器件具有光損耗小、抗激光損傷閾值高以及較高的脈沖激光輸出功率。

本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供上述基于WS₂的可飽和吸收體器件的應(yīng)用。

為了解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種基于WS₂的可飽和吸收體器件的制備方法，包括如下步驟：

首先將FC頭的不耐高溫的金屬套取下，剩下耐高溫的陶瓷探針；

將四硫代鎢酸銨溶液涂覆在陶瓷探針的表面，利用熱分解四硫代鎢酸銨的方法，在FC頭的表面制備WS₂，熱分解時(shí)，在反應(yīng)體系中通入氫氣，得到WS₂/FC頭飽和吸收體器件。

傳統(tǒng)的WS₂的制備方法是將四硫代鎢酸銨進(jìn)行焙燒分解制備WS₂，但是，四硫代鎢酸銨的焙燒溫度過(guò)高，而制備該基于WS₂的可飽和吸收體器件時(shí)，較高的溫度不可避免地會(huì)對(duì)光纖造成損壞，而且，四硫代鎢酸銨在熱焙燒時(shí)，容易生成三氧化鎢雜質(zhì)，這些都會(huì)影響可飽和吸收體器件檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性。

發(fā)明人經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)證明，在熱分解時(shí)，向反應(yīng)體系中通入氫氣，可以避免三氧化鎢雜質(zhì)的生成，同時(shí)可以在更低溫度下得到二硫化鎢，避免高溫下?lián)p壞光纖。

優(yōu)選的，所述四硫代鎢酸銨溶液中的溶劑為乙二醇。

乙二醇是一種無(wú)色粘稠液體，對(duì)于四硫代鎢酸銨有很好的溶解性，由于乙二醇溶液的粘稠性，可以使四硫代鎢酸銨更好的吸附在陶瓷探針的表面，當(dāng)對(duì)四硫代鎢酸銨進(jìn)行熱分解時(shí)，生成的二硫化鎢可以更好地生長(zhǎng)在陶瓷探針的表面，與陶瓷探針之間緊密連接。相比于傳統(tǒng)的二甲基甲酰胺溶液，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用乙二醇時(shí)，得到的可飽和吸收體器件具有更好的靈敏度和準(zhǔn)確度，這是使用其他的有機(jī)溶劑所做不到的。由于有機(jī)溶劑的種類較多，在如此多的有機(jī)溶劑中選擇乙二醇作為溶劑，是在發(fā)明人多年的研究經(jīng)驗(yàn)以及反復(fù)的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的，是非顯而易見(jiàn)的。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述四硫代鎢酸銨溶液的濃度為1-1.5％。該處的％是指質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。

優(yōu)選的，所述光纖連接頭為單模光纖的FC連接頭。

其中，單模光纖為中心玻璃芯很細(xì)，只能傳一種模式的光纖。單模光線相比于多模光纖可支持更長(zhǎng)傳輸距離。

光纖連接頭，光纖之間是由連接頭通過(guò)其內(nèi)部的開(kāi)口套管連接起來(lái)的，以保證光纖跳線之間的最高連接性能。光纖連接頭一般分為ST、SC、FC和LC等光纖連接頭，其中FC光纖接頭最為常見(jiàn)。鎖模需要單模光纖，而FC頭的不耐高溫的金屬套可以取下，方便在光纖頭斷面直接生長(zhǎng)二硫化鎢。

優(yōu)選的，熱分解四硫代鎢酸銨的方法，包括如下步驟：

將涂有四硫代鎢酸銨溶液的光纖連接頭在真空狀態(tài)下加熱至400-800℃，同時(shí)向其通入設(shè)定量的氫氣和氬氣，進(jìn)行熱分解，即得。

在加熱至四硫代鎢酸銨的熱分解溫度之前，四硫代鎢酸銨溶液中的溶劑在加熱的條件下?lián)]發(fā)，使四硫代鎢酸銨緊密貼合于光纖連接頭的表面。再發(fā)生熱分解時(shí)，生成的二硫化鎢緊密貼合于光纖連接頭的表面，形成致密的二硫化鎢層。致密、無(wú)損傷的二硫化鎢層可以避免光損傷，顯著提高抗激光損傷閾值，進(jìn)而提高脈沖激光輸出功率。

優(yōu)選的，熱分解的時(shí)間為60-120min。

優(yōu)選的，熱分解反應(yīng)的真空度為1-3×10^-6托(torr)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果真空度不高的話，得到的二硫化鎢可能會(huì)摻雜三氧化鎢雜質(zhì)，影響可飽和吸收體器件的靈敏度和準(zhǔn)確性，而將反應(yīng)體系的真空度降至10^-6托時(shí)，在該反應(yīng)條件下，則可以得到較為純凈的二硫化鎢。

優(yōu)選的，熱分解發(fā)生的容器為石英管。

石英管即為石英玻璃管，是一種非常優(yōu)良的基礎(chǔ)材料。且具有耐高溫、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性好、透光性能好以及電絕緣性能好的優(yōu)良特性。將涂覆有四硫代鉬酸銨溶液的光纖的傳感區(qū)放入石英管中，便于密封后抽真空。且由于石英管可以在1100℃下長(zhǎng)時(shí)間使用，在進(jìn)行熱解反應(yīng)時(shí)，石英管可以正常使用，不會(huì)因?yàn)槭⒐艿钠茐膶?dǎo)致試驗(yàn)的失敗。

優(yōu)選的，上述方法還包括熱解完成后，在氬氣氛圍下自然降溫的步驟。

由于熱分解的溫度較高，當(dāng)熱分解得到的二硫化鎢暴露在空氣中時(shí)，在高溫作用下，二硫化鎢會(huì)與空氣中的活性氣體反應(yīng)，產(chǎn)生雜質(zhì)。所以，在氬氣氛圍下將二硫化鎢自然降溫，一方面可以將二硫化鎢與空氣隔絕，保證二硫化鎢的純度，進(jìn)而保證得到的光纖傳感器探頭的靈敏度；另一方面，二硫化鎢的自然冷卻過(guò)程，也是二硫化鎢進(jìn)行密實(shí)的過(guò)程，自然冷卻后的二硫化鎢層密實(shí)度較高，與光纖之間的作用力較強(qiáng)，避免了光纖傳感器的損壞，同時(shí)保證了光纖傳感器的檢測(cè)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

上述制備方法制備得到的基于WS₂的可飽和吸收體器件。

上述基于WS₂的可飽和吸收體器件在超短脈沖激光鎖模中的應(yīng)用。

本發(fā)明的有益效果為：

將過(guò)渡金屬硫化物材料(WS₂)直接生長(zhǎng)在FC頭端面，WS₂與FC頭表面緊密接觸。這種方法不但繼承了過(guò)渡金屬硫化物材料飽和吸收體的優(yōu)點(diǎn)，如高性能、低制作成本等，而且可以避免轉(zhuǎn)移過(guò)程導(dǎo)致的損傷，減少光損耗，提高抗光傷閾值，提高脈沖激光輸出功率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例制備的WS₂/FC頭光纖飽和吸收體的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例制備的WS₂/FC頭光纖飽和吸收體的拉曼光譜；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例制備的WS₂/FC頭光纖飽和吸收體鎖模產(chǎn)生的脈沖序列。

其中，1、FC頭表面生長(zhǎng)的WS₂薄膜，2、陶瓷探針包裹的光纖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。

實(shí)施例1

一種基于過(guò)渡金屬硫化物材料WS₂/FC頭的實(shí)用化可飽和吸收器件的制備方法，包括以下步驟：

1、FC頭的清洗：

首先將FC頭的不耐高溫的金屬套取下，剩下耐高溫的陶瓷探針，將陶瓷探針?lè)湃氡?，在超聲機(jī)內(nèi)超聲清洗十五分鐘；清洗完成后，將FC頭的陶瓷探針?lè)湃刖凭性诔暀C(jī)內(nèi)超聲清洗十五分鐘；完成后將FC頭進(jìn)一步放入去離子水中在超聲機(jī)內(nèi)超聲清洗十五分鐘，得到清潔的FC頭。

2、四硫代鎢酸銨溶液配備：

利用萬(wàn)分之一天平稱取一定質(zhì)量的四硫代鎢酸銨粉末放入容器中。用微量移液器取乙二醇溶劑注入放有四硫代鎢酸銨粉末的容器中，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％的溶液。之后將溶液放入超聲機(jī)內(nèi)進(jìn)行超聲處理20分鐘，使四硫代鎢酸銨粉末粉碎并形成均勻的溶液。

3、四硫代鎢酸銨溶液的滴加：

將清洗過(guò)的FC頭浸泡在步驟2中制備的四硫代鎢酸銨溶液中。五分鐘后將FC頭從溶液中取出，放置在加熱平臺(tái)上加熱25分鐘，溫度設(shè)置為100℃，使四硫代鎢酸銨緊密的貼附在FC頭表面。

4、退火處理得到WS₂/FC頭飽和吸收體：

將步驟3中得到的四硫代鎢酸銨/FC頭放入CVD管式爐中央；打開(kāi)真空泵將石英管的氣壓抽至極限真空狀態(tài)3×10^-6Torr；氬氣和氫氣流量分別設(shè)定為100sccm和30sccm，將氬氣和氫氣混合氣體注入真空腔內(nèi)；管式爐溫度達(dá)到500℃后，恒溫80分鐘進(jìn)行退火處理。關(guān)閉氫氣，并將管式爐緩慢降溫至室溫。從管式爐中取出，得到WS₂/FC頭飽和吸收體。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例制備的WS₂/FC頭光纖飽和吸收體的結(jié)構(gòu)圖，其中，序號(hào)1為生長(zhǎng)在陶瓷探針的端面的二硫化鎢薄膜，2為陶瓷探針包裹的光纖；生長(zhǎng)完成后，單模光纖端面和FC頭光纖保護(hù)層端面都會(huì)生長(zhǎng)WS₂/FC薄膜。圖2所示W(wǎng)S₂/FC飽和吸收體器件的拉曼圖像，圖中350cm^-1和418cm^-1分別為WS₂的拉曼特征峰，證實(shí)了FC頭表面成功包裹了WS₂薄膜。圖3所示將WS₂/FC頭光纖飽和吸收體接入光路得到的鎖模脈沖序列，表明我們生長(zhǎng)得到的WS₂/FC頭光纖飽和吸收體可以實(shí)現(xiàn)激光鎖模。

實(shí)施例2

一種基于過(guò)渡金屬硫化物材料WS₂/FC頭的實(shí)用化可飽和吸收器件的制備方法，包括以下步驟：

1、FC頭的清洗：

首先將FC頭的不耐高溫的金屬套取下，剩下耐高溫的陶瓷探針，將陶瓷探針?lè)湃氡?，在超聲機(jī)內(nèi)超聲清洗十五分鐘；清洗完成后，將FC頭的陶瓷探針?lè)湃刖凭性诔暀C(jī)內(nèi)超聲清洗十五分鐘；完成后將FC頭進(jìn)一步放入去離子水中在超聲機(jī)內(nèi)超聲清洗十五分鐘，得到清潔的FC頭。

2、四硫代鎢酸銨溶液配備：

利用萬(wàn)分之一天平稱取一定質(zhì)量的四硫代鎢酸銨粉末放入容器中。用微量移液器取乙二醇溶劑注入放有四硫代鎢酸銨粉末的容器中，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％的溶液。之后將溶液放入超聲機(jī)內(nèi)進(jìn)行超聲處理20分鐘，使四硫代鎢酸銨粉末粉碎并形成均勻的溶液。

3、四硫代鎢酸銨溶液的滴加：

將清洗過(guò)的FC頭浸泡在步驟2中制備的四硫代鎢酸銨溶液中。五分鐘后將FC頭從溶液中取出，放置在加熱平臺(tái)上加熱30分鐘，溫度設(shè)置為130℃，使四硫代鎢酸銨緊密的貼附在FC頭表面。

4、退火處理得到WS₂/FC頭飽和吸收體：

將步驟3中得到的四硫代鎢酸銨/FC頭放入CVD管式爐中央；打開(kāi)真空泵將石英管的氣壓抽至極限真空狀態(tài)1×10^-6Torr；氬氣和氫氣流量分別設(shè)定為120sccm和40sccm，將氬氣和氫氣混合氣體注入真空腔內(nèi)；管式爐溫度達(dá)到800℃后，恒溫120分鐘進(jìn)行退火處理。關(guān)閉氫氣，并將管式爐緩慢降溫至室溫。從管式爐中取出，得到WS₂/FC頭飽和吸收體。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。