[发明专利]基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件及其制备方法，属于激光器的可饱和吸收体领域。

背景技术

采用锁模或调Q技术的脉冲激光器，具有峰值功率高，脉冲宽度窄的特点，在工业微加工、医疗、超快过程科学研究和光通讯等领域都有及其重要的应用。实现锁模和调Q的技术，可分为主动和被动两类，其中，在激光腔内插入可饱和吸收器件，实现被动锁模和调Q的方法，由于不需要外加电场或光场调制，更加方便高效，且价格低廉，是广泛使用的一种方法。目前市场上主要使用的光纤激光器锁模器件基于半导体可饱和吸收镜（SESAM）。但是，半导体可饱和吸收镜存在很多很难克服的缺点。首先，SESAM需要复杂且昂贵的基于洁净室的制造系统，制造工艺复杂，成本高；其次，由于Ⅲ-Ⅳ族半导体的固有带隙，饱和吸收光谱范围狭窄；第三，SESAM的光损伤阈值也很低，很难应用在高功率激光领域中。近年来，单壁碳纳米管（SWCNT）和以石墨烯为代表的二维层状材料是受到该领域关注较多的两类替代SESAM的新型可饱和吸收体材料。SWCNT具有电子弛豫时间快、易于制作，成本低，光损伤阈值高的优点，但是其不均匀的手型性质对于可饱和吸收体的性质的精确控制存在固有问题，且限制了饱和吸收的带宽。

石墨烯可饱和吸收体自2009年被发现以来，以其特有的超宽波段工作波长（可见波段到微波波段可工作）、超快的电子弛豫时间、可观的光调制深度、低饱和阈值等优点，受到广泛的研究和关注。目前，石墨烯可饱和吸收体的制作方法主要是：在光纤激光器中，采用化学转移或者光学沉积的方法，将石墨烯直接和FC/PC光纤头结合，形成光纤头/石墨烯/光纤头三明治结构；在固体激光器中，采用化学转移，或者旋涂的方法，将石墨烯转移在石英片一类的透明基底上，形成透射式可饱和吸收器件；或将石墨烯置于金银铜铝一类金属反射层上，形成反射式可饱和吸收器件。这几种方法都有一定局限性：

1）反射层反射率不够高，吸收损耗大。高性能激光器需要极高反射率和极低损耗，因而对材料和结构要求更高。单一金属作为反射层，虽然金属反射膜具有较高的反射率,但具有一定的吸收能力,影响光的质量。所以金属反射膜不适用于要求膜层的吸收损耗小的高性能激光领域；经研究发现，单一金属反射膜的反射率往往难以达到多层全介质高反膜和金属/介质反射膜的反射率，对于高反膜而言，即使反射率提高0.01%，对输出功率也有很大贡献，比如多层全介质高反膜反射率可以达到99%以上，而一般的金属膜难以达到如此高的反射率；从紫外到中红外等波长，不同波长往往需要针对性制备高性能高反膜，单一金属膜难以满足这样的要求；而且大部分单一金属膜在空气中容易起化学反应而变质，导致反射膜不稳定。

2）大部分制造方法都需要在水溶液中人工转移。由于水的表面张力较大以及人工操作的不确定性，转移过程会不可避免地破坏石墨烯或其他二维层状材料的的完整性的连续性，导致器件成品率不高

3）单一金属反射层与基底层、饱和吸收层与反射层之间附着性差和机械强度低，而且容易吸水，因而稳定性和寿命收到影响。

4）在一些特定场合，饱和吸收层单纯用石墨烯材料无法获得特定需求的光学性能参数，对饱和吸收材料的调制深度和光激发弛豫时间难以实现调控。

5）饱和吸收层和整个器件的抗机械损伤和光热损伤阈值有待提高。

6）部分采用透射方式，直接插在腔中，增加了腔内的损耗，不适用于低增益的激光器。

 

发明内容

本发明针对上述不足提供了一种基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件及其制备方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，包括基底，高反层，可饱和吸收层，功能层；所述的功能层的一端面与可饱和吸收层相连，可饱和吸收层的一端面与高反层相连，高反层的一端面与基底相连。

本发明所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，所述的高反层与可饱和吸收层之间设有功能层二。

本发明所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，所述的高反层与基底之间设有功能层三。

本发明所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，所述的高反层与可饱和吸收层之间设有功能层二；高反层另一端面与与基底之间设有功能层三。

本发明所述的基于二维层状材料的实用化可饱和吸收器件，基底的另一端面设有减反层。