[发明专利]光学各向异性可饱和吸收器件、制备方法及基于该器件的脉冲激光器

说明书

技术领域

本发明属于非线性光学以及激光技术领域，具体涉及一种光学各向异性可饱和吸收器件、制备方法及基于该器件的脉冲激光器。

背景技术

脉冲是指每间隔一定时间才发生一次的工作方式。以脉冲工作方式运转的激光器就是脉冲激光器。这类激光脉冲能量大、切割质量好，在加工类激光产品中属于高端产品，近年来在光通信系统、光电传感、生物医学、精密加工等方面得到了广泛的应用。实现激光脉冲一般有锁模和调Q两种方式。

锁模激光器，是输出光脉冲宽度在皮秒量级或更短的激光器的统称（1皮秒=10^-12秒），具有峰值功率高、时间灵敏度高等特点。调Q激光器与锁模激光器相比，一般产生脉冲重复频率更低，脉冲持续时间更长，脉冲能量更高。目前产生锁模或调Q激光器一般有主动方式和被动方式两类技术。由于使用被动方式产生脉冲无需外部电控器件，所以成为当前脉冲激光应用的首选技术。

以被动方式实现激光脉冲的核心器件称为可饱和吸收体，是一种在激光工作波长具有吸收率随入射光功率增大而减小特征（也称光学可饱和吸收）的非线性光学器件。可饱和吸收体根据材料的不同，可具有多种不同器件结构和形态。目前比较成熟的可饱和吸收体是半导体可饱和吸收镜（SESAM）技术，其主要为依赖分子束外延（molecular beam epitaxy）制备而成的III-V族化合物（如InGaAs, InP以及相关材料）多量子阱结构[1]。但在实际应用中，却存在着光谱带宽受限、耦合难度大、损伤阈值低等一系列问题。

近年来，多种低维量子材料（如单壁碳纳米管、石墨烯、多壁碳纳米管、二维拓扑绝缘体等材料）相继被应用于光纤激光器和固态激光器中产生激光脉冲。与SESAM相比，低维量子材料具有工作波长范围广、损伤阈值高等优秀的光学特性。然而，目前基于低维量子材料的可饱和吸收体技术，大多具有微观形态的无序性和不可控性，同时器件的可饱和吸收相关参数难以调控，限制了基于这些器件的脉冲激光器的参数优化范围，导致脉冲激光器的稳定性、功率输出以及偏振态的调控受限，限制了该类激光器的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学各向异性可饱和吸收器件、制备方法及基于该器件的脉冲激光器，其光学各向异性源于沉积在可旋转基底上的具有有序结构的低维量子材料，包括本身具有取向性的可饱和吸收材料（如：单壁碳纳米管(SWNT)薄膜、多壁碳纳米管(MWNT)薄膜）和具有可饱和吸收特性的层状材料（如：石墨烯（也包括氧化石墨烯、还原氧化石墨烯）、硫化钼、二维拓扑绝缘体等形成的纳米线）；并提供了将该各向异性可饱和吸收器件应用到光纤和固态激光器中实现调Q或者锁模运转的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：利用具有有序结构的低维量子材料对不同偏振角度的入射光具有不同吸收的特性，结合可旋转光学衬底，在可饱和吸收器件中引入光学各向异性，从而对线性和非线性吸收等器件参数实现灵活调控。具体来说，将本身具有取向性的可饱和吸收材料，如超顺排生长的单壁或多壁碳纳米管，通过拉制形成薄膜，直接沉积到镀膜的光学衬底上，并将其集成到可旋转支架装置中，形成光学各向异性可饱和吸收器件；或将沉积或转移到镀膜的光学衬底上的一种或多种具有可饱和吸收特性的层状材料，通过电子束光刻形成具有相同取向的纳米线结构，并将其集成到可旋转支架装置中，形成光学各向异性可饱和吸收器件。以上两种方法通过对取向性的低维量子材料的单次或重复沉积过程，可以实现单层结构或取向性一致多层结构。其中使用的光学衬底可以通过采用磁控溅射（sputtering)或脉冲激光沉积（pulsed laser deposition）方法，实现高反射率或高透射率的镀膜。

本身具有取向性的可饱和吸收材料包括超顺排生长的单壁碳纳米管或多壁碳纳米管，可饱和吸收特性的层状材料包括石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、硫化钼和二维拓扑绝缘体；二维拓扑绝缘体包括硒化铋、碲化铋、碲化銻；光学各向异性的可饱和吸收器件可为单层或多层结构，每层包括本身具有取向性的可饱和吸收材料有序排列形成的薄膜或可饱和吸收层状材料纳米线有序排列形成的取向薄膜。

一种光学各向异性可饱和吸收器件的制备方法，制备步骤如下：将本身具有取向性的可饱和吸收材料，通过拉制形成薄膜，直接沉积到镀膜的光学衬底上，并将其集成到可旋转支架装置中，形成光学各向异性可饱和吸收器件；或将沉积或转移到镀膜的光学衬底上的一种或多种具有可饱和吸收特性的层状材料，通过电子束光刻形成具有相同取向的纳米线结构，并将其集成到可旋转支架装置中，形成光学各向异性可饱和吸收器件。