三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明有關(guān)于一種基于三維狄拉克半金屬材料的紅外可飽和吸收器件，屬于激光器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外脈沖激光在光譜、自由空間通信、醫(yī)藥學(xué)和精確外科手術(shù)等領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值。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(wú)需外部電控器件，且生成的脈沖更短，所以備受人們青睞。
[0003]可飽和吸收器件是實(shí)現(xiàn)被動(dòng)方式脈沖激光產(chǎn)生的核心器件。該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)可飽和吸收特征。目前工藝上比較成熟的可飽和吸收器件是半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAMshSESAMs—般為多量子阱結(jié)構(gòu)，并具有多種光學(xué)參數(shù)調(diào)控方案。例如，可以通過(guò)降低材料的生長(zhǎng)溫度來(lái)調(diào)控器件的弛豫時(shí)間。但是SESAMs的常用材料體系GaAs、InP等，其工作波長(zhǎng)僅能覆蓋近紅外波段(〈1.5μπι)。雖然近年來(lái)也曾出現(xiàn)過(guò)一些改進(jìn)方案，但是其工作波長(zhǎng)仍然沒(méi)有延伸到長(zhǎng)波長(zhǎng)的紅外波段，特別是3μπι及以上波段。
[0004]近年來(lái)，諸如碳納米管、石墨烯、準(zhǔn)二維拓?fù)浣^緣體、二維過(guò)渡金屬硫化物、黑磷之類的低維納米材料展現(xiàn)出了優(yōu)秀的寬帶光學(xué)可飽和吸收特性，但是由這些低維材料在制備時(shí)大多使用液相剝離或者后轉(zhuǎn)移方法，在器件中不可避免的引入大量的缺陷，使得材料的結(jié)晶質(zhì)量難以控制，大大降低了器件的可重復(fù)性，并且尚沒(méi)有可靠的非線性光學(xué)參數(shù)的調(diào)控方案提出。這種現(xiàn)狀限制了紅外脈沖激光的產(chǎn)生和優(yōu)化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)紅外脈沖激光的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決以上問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于，提供一種可靠的、參數(shù)可調(diào)控的紅外可飽和吸收器件。使用本發(fā)明提供的三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件，可以實(shí)現(xiàn)紅外激光的鎖模或調(diào)Q，從而產(chǎn)生穩(wěn)定、高度可重復(fù)的大功率脈沖激光輸出。本發(fā)明還具體的提供了基于三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件的鎖?；蛘{(diào)Q脈沖激光器的技術(shù)方案。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)解決方案為:一種三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件，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可飽和吸收層，工作波長(zhǎng)覆蓋紅外區(qū)域，并且多種參數(shù)具有高度可調(diào)控性;器件包括由三維狄拉克半金屬材料構(gòu)成的可飽和吸收層和承載該可飽和吸收層所需的光學(xué)元件。
[0007]所述的三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件具有反射型和透射型兩種模式;反射型可飽和吸收器件由上至下的如下材料分布:功能層(1)、光學(xué)襯底(2)、可飽和吸收層(3)和反射層(4)構(gòu)成;透射型可飽和吸收器由功能層(1)、光學(xué)襯底(2)和可飽和吸收層(3)組成;其中，所述的功能層(1)包含光學(xué)鍍膜和鈍化層;其中，光學(xué)鍍膜既是單層鍍膜或多層鍍膜，鍍膜材料選用鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、砸化鋅(ZnSe)、硫化鋅(ZnS)、氟化鎂(MgF2)、二氧化鈦(Ti02)、氧化鋯(ZrO)等材料中的一種或幾種，并且通過(guò)控制鍍膜的厚度和材料組合使這些光學(xué)鍍膜在工作波長(zhǎng)具有不同的反射率，從而調(diào)控器件的可飽和光強(qiáng);光學(xué)鍍膜的厚度是0.001-100微米。
[0008]三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件中的功能層(1)包含光學(xué)鍍膜和鈍化層，通過(guò)激光脈沖沉積、磁控濺射和熱蒸發(fā)等方法實(shí)現(xiàn);所述的鈍化層選用二氧化硅(Si02)和氧化鋁(A1203)等，鈍化層厚度是0.01-100微米。
[0009]三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件中的光學(xué)襯底(2)要求在紅外光譜范圍內(nèi)高度透明，光學(xué)襯底包括二氧化硅(Si02)、砷化鎵(GaAs)、氧化鋁(A1203 )、氟化鈣(CaF2)和云母等，襯底厚度是0.1-10毫米。
[0010]三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件中的反射層(4)可以是寬帶的金屬鏡面，包括金鏡、銀鏡和鋁鏡等;也可以是特定波長(zhǎng)范圍的全反射布拉格光柵鏡或者高反射率的光學(xué)鍍膜。
[0011]所述的可飽和吸收層(3)是三維狄拉克半金屬材料，包括砷化鎘(Cd3As2)和鉍化鈉(Na3Bi)、鉍化鉀(K3Bi)和鉍化銣(Rb3Bi)等，吸收層厚度是1-1000納米。
[0012]三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件的制備方法，功能層(1)，包括鍺，砷化鎵，砸化鋅，硫化鋅，氟化鎂，二氧化鈦和氧化鋯光學(xué)鍍膜和二氧化硅或氧化鋁鈍化層通過(guò)激光脈沖沉積、磁控濺射和熱蒸發(fā)方法直接鍍膜在紅外光譜范圍內(nèi)高度透明光學(xué)襯底
(2)的一側(cè);在光學(xué)襯底(2)的另一側(cè)使用分子束外延技術(shù)生長(zhǎng)高結(jié)晶質(zhì)量的三維狄拉克半金屬薄膜;最后，再次使用激光脈沖沉積、磁控派射和熱蒸發(fā)等技術(shù)在三維狄拉克半金屬材料的表面鍍上反射層(4)和功能層(1)。
[0013]其中，一個(gè)示例性的制備流程是:使用激光脈沖沉積將在雙面拋光的砷化鎵襯底
(2)的一側(cè)沉積了功能層(1)，包括光學(xué)增透膜和A1203鈍化層。然后再使用分子束外延技術(shù)在GaAs襯底的另一側(cè)生長(zhǎng)了200nm三維狄拉克半金屬Cd3As2薄膜(3)，最后使用電子束蒸發(fā)在CM3AS2表面蒸鍍了 1微米的金膜(4)。在該不例中，(M3AS2薄膜分子束外延生長(zhǎng)的具體條件如下:使用純度為?99.999% (5N)鎘源和砷源，在設(shè)備腔室初始?jí)簭?qiáng)約為10—Vbar;襯底溫度?200°C的條件下生長(zhǎng)Cd3As2薄膜。我們使用高能電子反射(RHEED)原位監(jiān)控薄膜的生長(zhǎng)速率，并將薄膜的生長(zhǎng)速率控制在?lnm/分鐘。分子束外延(MBE)在高真空環(huán)境中生長(zhǎng)，可以通過(guò)精確控制材料的生長(zhǎng)時(shí)間、速率(0.1-10nm/分鐘)和襯底溫度(150-250°C)等條件來(lái)設(shè)計(jì)并調(diào)整可飽和吸收層的非線性光學(xué)參數(shù)，從而制備不同調(diào)制深度、非線性損耗的紅外可飽和吸收器件。
[0014]使用分子束外延生長(zhǎng)三維狄拉克半金屬材料的過(guò)程中，還可以對(duì)其進(jìn)行元素?fù)诫s，通過(guò)控制元素?fù)诫s濃度，可以調(diào)控該可飽和吸收器件的弛豫時(shí)間，優(yōu)選的摻雜元素有Cr、In、Na和K等。通過(guò)精確控制材料的生長(zhǎng)時(shí)間、速率和溫度等條件來(lái)設(shè)計(jì)并調(diào)整可飽和吸收器件的非線性光學(xué)參數(shù)，從而制備不同調(diào)制深度、非線性損耗的紅外可飽和吸收器件。典型的摻雜濃度原子百分比為0.01 % -10 %。
[0015]三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件在半導(dǎo)體脈沖激光器、固體脈沖激光器或光纖脈沖激光器中的應(yīng)用。
[0016]有益效果，本發(fā)明提供的三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于，可飽和吸收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。該可飽和吸收器件的如上特點(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。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是三維狄拉克半金屬材料Cd3As2在2μπι波長(zhǎng)處的可飽和吸收曲線。
[0018]圖2是三維狄拉克半金屬材料Cd3As2在4.5μπι波長(zhǎng)處的光生載流子弛豫曲線。
[0019]圖3是實(shí)施例一中反射型三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件的示意圖。
[0020]圖4是實(shí)施例二中透射型三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件的示意圖。
[0021]圖5是實(shí)施例三中基于三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件的外半導(dǎo)體脈沖激光器的示意圖。
[0022]圖6和圖7是實(shí)施例四中基于三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件的固體脈沖激光器的示意圖。
[0023]圖8和圖9是實(shí)施例五中基于三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件的光纖脈沖激光器的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0025]鈍化層選用高度透明的環(huán)境友好型材料，如二氧化硅(Si02)和氧化鋁(Α1203)等。這些材料在室溫和大氣環(huán)境極其穩(wěn)定、硬度大、不含有毒害物質(zhì)或元素，既可以保護(hù)光學(xué)鍍膜和可飽和吸收層不受機(jī)械損傷，又可以避免操作人員直接接觸毒害物質(zhì)或元素，使得器件更加安全可靠;三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件中的功能層(1)包含光學(xué)鍍膜和鈍化層，可以通過(guò)激光脈沖沉積、磁控濺射和熱蒸發(fā)等方法實(shí)現(xiàn)。
[0026]三維狄拉克半金屬材料紅外可飽和吸收器件中的光學(xué)襯底要求在紅外光譜范圍內(nèi)高度透明，優(yōu)選的光學(xué)襯底有二氧化硅(Si02)、砷化鎵(GaAs)、氧化鋁(Α1203)、氟化鈣(CaF2)和云母等，