[发明专利]一种基于黑磷的实用化可饱和吸收器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于黑磷的实用化可饱和吸收器件，属于激光器的可饱和吸收器件领域。

 

背景技术

目前市场上主要使用的可饱和吸收器件是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难以克服的缺点。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，基本局限在近红外波段，对于中、远红外波段，目前没有可用的SESAM；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，石墨烯被发现可作为一种新型的可饱和吸收体用于激光器调Q、锁模、光信号处理或者脉冲整形。石墨烯和单壁碳纳米管(SWCNT)都是新型碳纳米材料，它们都具有易于制作，成本低，光损伤阈值高等优点，是受到该领域关注较多的可替代SESAM的新型可饱和吸收体材料。然而制作SWCNT可饱和吸收体时，由于其容易团簇，导致难以分散；而其不均匀的手型性质对于可饱和吸收体的光学性质的精确控制存在固有问题，且限制了饱和吸收的带宽。而使用石墨烯作为可饱和吸收体时，尽管其由于零带隙而拥有宽波段可饱和吸收特性，但是单层石墨烯的光吸收较低(2.3%)，较难应用在激光器中，而现有技术实现制备多层高质量工艺难度大，制备过程中往往存在膜层分布不均匀导致非饱和损耗增大、激光器泵浦阈值高的问题。

黑磷(black phosphorus)为直接带隙材料，单原子层黑磷的带隙为2 eV，多原子层黑磷的带隙为0.3 eV，可通过改变黑磷的厚度来调节其带隙，可以使吸收波长从500 nm到4100 nm之间变化，适用于从可见光到中红外波段的激光器应用。它是一种非常有潜力的超宽带可饱和吸收材料，相比碳纳米管而言，它可以实现更宽波段的吸收；相比石墨烯而言，它有更大的共振吸收(20%-30%)。实验证明，黑磷有潜力替代SESAM成为超短脉冲光纤激光器和固体激光器的实用有效的可饱和吸收体材料。

 

发明内容

本发明针对上述不足提供一种基于黑磷的实用化可饱和吸收器件。可饱和吸收器件在所述的激光腔中提供锁模、调Q、光脉冲整形、光开关和光信号处理中至少一种功能。可应用于光纤激光器环形腔或者线性腔、V型腔的结构中，或者用于固体激光器、半导体激光器中。

本发明采用如下技方案：

本发明所述的一种基于黑磷的实用化可饱和吸收器件，包括基底层、高反层、可饱和吸收层与功能层；该可饱和吸收器件由上述四层材料相互组合而成、或其中三层材料相互组合而成、或相互组合的上述四层材料与四层材料上下任意增加的功能性插层组合而成、或可饱和吸收层任意与其中一层组合而成、或由可饱和吸收层组成而成；所述的可饱和吸收层含有黑磷薄膜、黑磷纳米片层颗粒、黑磷衍生物和官能化黑磷中的至少一种材料。

本发明所述的基于黑磷的实用化可饱和吸收器件，所述的饱和吸收器件的基底层或基底上的插层放置在铜基或者中心开孔的铜基上；所述的饱和吸收器件的可饱和吸收层与光纤尾纤端面相连。

有益效果

本发明提供的基于黑磷的实用化可饱和吸收器件，实现激光器的调Q和锁模、光信号处理等应用，更重要的是发挥黑磷的新特性可以灵活地调节调制深度的功效。

黑磷(black phosphorus)作为一种新型的可饱和吸收体可以用于激光器调Q、锁模、光信号处理或者脉冲整形。它是一种二维层状原子晶体材料，具有极高的载流子迁移率和优异的光学性质，可实现较低的非饱和吸收损耗和较低的饱和吸收强度；相对于其他材料，另外黑磷具有更大的共振吸收。黑磷为直接带隙材料，具有一定的能带带隙，单原子层黑磷的带隙为2 eV，多原子层黑磷的带隙为0.3 eV，应用上通过改变黑磷的厚度即可以调控其带隙，从而使吸收波长从500 nm到4100 nm之间变化，适用于从可见光到中远红外波段的激光器。它是一种非常有潜力的超宽带可饱和吸收材料，可以替代SESAM成为超短脉冲激光器的实用有效的可饱和吸收材料。

本发明器件可以发展成高效的透射型、反射型、耦合输出型，可以用本发明技术方案发展从可见光到中红外波长的器件，甚至可以扩展到更广泛的波长范围，极大的拓展了二维层状材料在激光调Q、锁模、光信号处理等领域的应用。

 

附图说明

图1是本发明的一种透射型可饱和吸收器件的结构示意图；

图2是本发明的一种反射型可饱和吸收器件的结构示意图

图3是本发明的一种耦合输出型可饱和吸收器件的结构示意图