[发明专利]非线性光学薄膜In2Te3的吸收调控方法及其在光限幅领域的应用

说明书

技术领域

本发明属于非线性光学材料技术领域，具体涉及一种非线性光学薄膜In₂Te₃的吸收调控方法及其在光限幅领域的应用。

背景技术

自从1960年激光器诞生以来，非线性光学吸收(Nonlinear Optical Absorption (NOA))材料的研究和应用得到了快速发展，利用非线性吸收材料制备的非线性光子件在国防和民用领域已成为主流方法。在过去的几十年里，研究者研发出了许多基于非线性吸收材料的元器件和应用，例如上转换激光器、激光锁模、光限幅器等。因此。为了探索并寻找更加优异的可以替代现有的新材料，对非线性吸收材料的基本物理特性和吸收机制的理解显得尤为重要。

通常来说，非线性吸收可以分为两类：饱和吸收和反饱和吸收。在饱和吸收中，光学透射率会随着入射光功率密度的增加而增加，主要是能级系统中的漂白效应所致；而在反饱和吸收中，透射率会随着入射光功率密度的增加而减小，来源于材料本身的多光子吸收效应。目前，许多研究都是对于饱和或者反饱和材料的单独研究，很少有在一种材料上观察到两种非线性吸收现象。此外，作为非线性光学吸收研究领域最重要的应用之一——光限幅，要求材料在应用的光波段具有高透射率、低限幅阈值和高损伤阈值的特征，限幅所运用的原理主要有非线性光学吸收、光致折变和散射等，现阶段大多数研究和发明都是基于有机物高分子材料或者有机溶液，半导体薄膜材料由于损伤阈值较小，一直未受到广泛关注，但是半导体材料本身具有很好的光学可调性和硅基兼容性，近两年也渐渐受到许多研究人员的关注。

碲化铟（In₂Te₃）薄膜属于硫族化合物薄膜的一员，通常有α相（反萤石结构）和β相(闪锌矿结构)两种晶态，主要取决于退火工艺，一般退火后快速冷却得到的是β相In₂Te₃，退火后慢速冷却得到的是α相In₂Te₃。由于其独特的光电特性和可调性的特点，In₂Te₃在红外光学探测器、二氧化碳气敏传感器、电开关中已经应用十分广泛，但是目前还没有关于该材料的非线性光学研究。

薄膜制备方法主要可以分为两种，物理气相沉积（Physical Vapor Depositon）以及化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）。在物理气相沉积方法中，又分为溅射法，真空蒸发法等。其中，溅射法由于适用范围广，安全系数高、设备集成度好等优点，得到了大范围的应用。当高能粒子/粒子束轰击固体材料表面后，靠近固体表面的原子/原子团因此会获得入射粒子的能量而进入到真空中，此现象称之为溅射。基本原理是利用电磁场来控制电子并将电子限制在阴极附近运动，延长电子的运动轨迹，从而提高电离率，更加有效地利用电子能量，从而使离子轰击靶材产生的溅射更加有效。不同于真空蒸镀法，磁控溅射法由于是磁场的作用，可以用来制备几乎所有的半导体材料、介质材料和金属等，关键在于靶材的制作。因此，磁控溅射法是制备各种薄膜的非常重要的方法，可获得表面平整度高、优异光学性能和电学性能的薄膜，并可实现工业化高速大面积沉积。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提出一种非线性光学薄膜In₂Te₃的吸收调控方法及其在光限副领域的应用。本发明方法简单，有助于实现In₂Te₃非线性光学吸收模式的选择和吸收强度的调制，并给出了In₂Te₃作为光限幅器件的实验验证。

本发明是通过利用射频磁控溅射镀膜系统，结合飞秒激光Z扫描测试方法，研究了几组不同厚度的In₂Te₃薄膜非线性吸收特性，测试结果表明，存在一个非线性吸收类型反转的临界厚度，在该临界厚度之下材料非线性吸收均为饱和吸收，在这之上的均变现为非线性反饱和吸收。另外，在相同厚度不同退火温度下，发现退火工艺对In₂Te₃的光限幅性能有较好的改善作用。

本发明的技术方案具体介绍如下。

本发明提供一种非线性光学薄膜In₂Te₃的吸收调控方法，具体步骤如下：

（1）首先以In₂Te₃为靶材，采用射频磁控溅射的方法，通过固定射频功率改变溅射时间