一种基于外尔半金属薄膜的饱和吸收器及脉冲激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其结构由外尔半金属材料构成的可饱和吸收层和承载该饱和吸收层所需的光学薄膜功能层组成；所述的外尔半金属薄膜可饱和吸收器件分为反射型和透射型两种模式，其中，反射型结构布局由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)和反射层(4)；透射型结构布局由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)。

A saturable absorber and pulsed laser based on ER semi metallic thin film

The invention discloses a saturable absorptive device based on an outer semi metal film. The structure consists of a saturable absorption layer consisting of a outer semi metal material and a functional layer of optical film required to carry the saturated absorption layer. The external semi metal thin film saturable absorption devices are divided into two modes of reflection and transmission. Among them, the layout of the reflective structure is from top to bottom: optical substrate layer (1), outer semi metal saturable absorption film layer (2), buffer layer (3) and reflection layer (4). The transmission structure layout is from top to bottom: optical substrate layer (1), outer semi metal saturable absorption film layer (2), buffer layer (3).

【技术实现步骤摘要】
一种基于外尔半金属薄膜的饱和吸收器及脉冲激光器
本专利技术涉及激光技术，具体是一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器及脉冲激光器。
技术介绍
超短脉冲激光光源在生物成像、通信、医疗手术和分子光谱等领域都具有极高的应用价值。超短脉冲激光主要通过被动锁模方式实现。被动锁模具有无需外加调制设备、产生的脉冲宽度窄、脉冲激光输出稳定性强等优点。获得饱和吸收效应的器件或机制是实现被动锁模的关键条件。半导体可饱和吸收镜(SESAMs)具有显著的饱和吸收光学特性(光吸收随入射光功率的增大而减小)，已被广泛的研究并应用于被动锁模激光器中。商用的SESAMs为半导体量子阱结构，其饱和吸收层的材料通常选用GaAs，InP等。受限于这些半导体材料的带隙等因素，SESAMs的工作带宽通常只能覆盖可见光到近红外波段(<2μm)，很难在长波长(>2μm)或中红外波段工作。另一方面，SESAMs仅可通过离子轰击、低温生长这两种方法实现对材料载流子弛豫时间的精确调控。而这些工艺自身存在着各自的缺陷。寻找宽带工作器件特别是长波长工作的器件，以及新工艺实现对器件的多种非线性光学参数的调控，已成为超快激光技术研究领域的一个热点问题。尽管已有研究人员提出了利用碳纳米管、石墨烯、黑磷、二维过渡金属硫化物等具有宽带光学开关效应的低维纳米材料制作宽带的可饱和吸收器件。但就其制备工艺而言，这些材料的制备通常采用液相剥离或后转移的方法，会导致材料中存在着大量的缺陷态，降低了器件制造的一致性。另一方面，基于这些材料的饱和吸收体还没有一套高度可靠的非线性光学参数调控方案被提出。这都极大的限制了超短脉冲激光的产生和发展。
技术实现思路
本专利技术目的是，针对现有技术的不足，提供了一种工作范围覆盖近红外至中红外波段、非线性光学参数高度可控的可饱和吸收器件。本专利技术的技术方案：一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：其结构由外尔半金属材料构成的可饱和吸收层和承载该饱和吸收层所需的光学薄膜功能层组成；所述的外尔半金属薄膜可饱和吸收器件分为反射型和透射型两种模式，其中，反射型结构布局由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)和反射层(4)；透射型结构布局由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)。所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的饱和吸收薄膜层(2)由零带隙、线性能量色散关系外尔半金属材料构成；所述外尔半金属材料包括二碲化钨(WTe2)、砷化钽(TaAs)、磷化钽(TaP)和砷化铌(NbAs)；吸收层厚度选为1-1000nm，工作带宽覆盖1-10微米的近红外和中红外波段，实现对器件的多种非线性参数精确操控。所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的饱和吸收层(2)通过控制退火时的温度、在材料中引入不同的元素缺陷度，或者通过施加横向或纵向电场均可实现对器件光学非线性参数的动态调控。通过控制缓冲层的厚度使可饱和吸收层在相应的工作波长具有不同的线性吸收率，进而可调控器件的饱和光强与可饱和吸收曲线。所述的缓冲层可通过激光脉冲沉积(PLD)、磁控溅射、热蒸发、PECVD等方法实现。所述的光学衬底层在工作波段需要高度透明。光学衬底的材料可为二氧化硅(SiO2)、砷化镓(GaAs)、氧化铝(Al2O3)、氟化钙(CaF2)和云母等，衬底厚度为0.1-10mm。光学反射层可以选择宽带高反射率的金属膜。包括金、银或铝膜，也可以是具有特定波长全反射的布拉格反射光栅及高反射率的光学镀膜材料。所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件的脉冲激光器，所述激光谐振腔使用提供的可饱和吸收器作为开关元件，实现宽波段的脉冲激光输出；所述激光器包括固体以及光纤激光的形式的激光器；所述饱和吸收器件可以选择工作在透射或反射形式；激光器应包括泵浦源，增益介质，谐振腔及所述饱和吸收器件。激光器可以工作在调Q及锁模方式。所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件的制备方法，在高度透明的光学衬底上使用激光脉冲沉积技术生长高结晶质量的外尔半金属薄膜；然后通过磁控溅射、激光脉冲沉积或热蒸发的方法直接将缓冲层镀膜在可饱和吸收层上；最后，再次使用激光脉冲沉积、磁控溅射和热蒸发等技术在缓冲层的表面上镀上反射层。基于外尔半金属薄膜的中红外可饱和吸收器，它是由激光脉冲沉积法生长的外尔半金属薄膜充当可饱和吸收层，配合设计所需的光学薄膜功能层而构成。由于器件使用了零带隙、线性能带关系的第二类外尔半金属作为可饱和吸收层，其工作带宽可覆盖近红外至中红外波段。并且通过控制可饱和吸收材料的元素缺陷度、或构建相应的缓冲层厚度、或施加外加电压，可实现对器件的多种非线性光学参数的精确调控。此外，本专利技术还进一步提供了如何应用该器件产生超短脉冲激光的具体实施方案。有益效果：本专利技术采用激光脉冲沉积生长的外尔半金属(Weylsemimetals)薄膜作为可饱和吸收层，通过控制退火时的温度、或控制缓冲厚度、或施加外加电压等外部手段，可实现对器件的多种非线性光学参数调控。使用本专利技术提供的外尔半金属可饱和吸收器，可以实现宽波段范围激光的调Q或锁模。附图说明图1是实施例中反射型外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的示意图。图2是实施例中透射型外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的示意图。图3是实施例中透射式外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的参数调谐示意图。图4是实施例中基于反射式外尔半金属薄膜可饱和吸收器的宽波段固体脉冲激光器的示意图。图5是实施例中基于透射式外尔半金属薄膜可饱和吸收器的宽波段光纤脉冲激光器的示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。具体的实施方案为：一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其结构由外尔半金属薄膜材料构成的可饱和吸收层和承载该可饱和吸收层所需的光学薄膜功能层组成。所述的外尔半金属薄膜可饱和吸收器件分为反射型和透射型两种模式。其中，反射型结构布局由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)和反射层(4)；透射型结构布局由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)。所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的饱和吸收层(2)由零带隙、线性能量色散关系外尔半金属材料构成。其材料包括二碲化钨(WTe2)、砷化钽(TaAs)、磷化钽(TaP)和砷化铌(NbAs)等。吸收层厚度可选为1-1000nm，工作带宽覆盖1-10微米的近红外和中红外波段，且可实现对器件的多种非线性参数精确操控。所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的饱和吸收层(2)通过控制退火时的温度可在材料中引入不同的元素缺陷度，或者通过施加横向或纵向电场均可实现对器件光学非线性参数的动态调控。所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的缓冲层(3)其材料可选用氧化铝(Al2O3)、砷化镓(GaAs)、二氧化硅(SiO2)等材料中的一种或几种。缓冲层的厚度通常为0.001-100μm。通过控制缓冲层的厚度可使可饱和吸收薄膜在相应的工作波长具有不同的线性吸收率，进而可调控器件的饱和光强与可饱和吸收曲线。所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的缓冲层(3)可通过激光脉冲沉积、磁控溅射、热蒸发、PECVD等方法实现。所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器中的光学衬底(1)在工作波段本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：其结构由外尔半金属材料构成的可饱和吸收层和承载该饱和吸收层所需的光学薄膜功能层组成；所述的外尔半金属薄膜可饱和吸收器件分为反射型和透射型两种模式，其中，反射型结构布局由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)和反射层(4)；透射型结构布局由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)。

【技术特征摘要】
1.一种基于外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：其结构由外尔半金属材料构成的可饱和吸收层和承载该饱和吸收层所需的光学薄膜功能层组成；所述的外尔半金属薄膜可饱和吸收器件分为反射型和透射型两种模式，其中，反射型结构布局由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)和反射层(4)；透射型结构布局由上至下为：光学衬底层(1)、外尔半金属可饱和吸收薄膜层(2)、缓冲层(3)。2.根据权利要求1所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的饱和吸收薄膜层(2)由零带隙、线性能量色散关系外尔半金属材料构成；所述外尔半金属材料包括二碲化钨(WTe2)、砷化钽(TaAs)、磷化钽(TaP)和砷化铌(NbAs)；吸收层厚度选为1-1000nm，工作带宽覆盖1-10微米的近红外和中红外波段，实现对器件的多种非线性参数操控。3.根据权利要求2所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：所述外尔半金属薄膜可饱和吸收器件的饱和吸收层(2)通过控制退火时的温度、在材料中引入不同的元素缺陷度，或者通过施加横向或纵向电场均能实现对器件光学非线性参数的动态调控。4.根据权利要求2或3所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：通过控制缓冲层的厚度使可饱和吸收层在相应的工作波长具有不同的线性吸收率，进而可调控器件的饱和光强与可饱和吸收曲线；所述的缓冲层可通过激光脉冲沉积(PLD)、磁控溅射、热蒸发、PECVD等方法实现。5.根据权利要求2所述的外尔半金属薄膜的可饱和吸收器件，其特征在于：所述的光学衬底层在工作波段需要高度透明。光学衬底的材料可为二氧化硅(SiO2)、砷化镓(GaAs)、氧化铝(Al2O3)、氟化钙(CaF2)和云母等，衬底厚度为...

【专利技术属性】
技术研发人员：王枫秋，黄磊，黎遥，孟亚飞，高文斌，秦嘉嵘，徐永兵，祝世宁，施毅，张荣，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32