一种基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件及其制备方法，所述器件可饱和吸收器件采用数个原子层厚的锗材料作为可饱和吸收层，进行调Q和锁模，所述数个原子层厚的锗材料包括金刚石结构的半导体锗缓冲层以及在此之上生长的六元环形型结构的锗烯。解决原子层厚可饱和吸收体的光调制深度小和非饱和损耗大的问题。度小和非饱和损耗大的问题。度小和非饱和损耗大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件及其制备方法


[0001]本专利技术设计一种可饱和吸收器件，特别是一种基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]超快脉冲激光器具有峰值功率高，脉冲宽度窄的优点，在工业加工、光通讯、医疗手术、军工、科研等领域，都有着广泛的应用。为了实现激光器的超快脉冲输出，目前最常见的方法是在激光谐振腔中插入可饱和吸收器件，实现被动调Q和锁模脉冲输出。这种方法不需要外接电场调制，方便高效，集成性高，且输出性能优越。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在实际应用中，存在一些难以克服的缺点。首先，SESAM制备工艺复杂，需要昂贵的基于洁净室的制造系统，制作成本高；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；再次，SESAM的非线性调制深度有限，光损伤阈值也很低，在高功率激光应用时寿命受到限制。
[0003]近年来涌现了一批基于新型二维材料的可饱和吸收体，如石墨烯、碳化镆等。这些材料具有制作成本低，光损伤阈值高的优点，被认为可用于取代SESAM的新一代可饱和吸收材料。这些常用的二维可饱和吸收材料可分为两类：二维狄拉克材料和二维半导体材料。然而，由于自身的物理性能和当前材料制备工艺的缺陷，这两类材料在目前的应用中都受到制约。比如，石墨烯是一种典型的狄拉克材料，具有超快的载流子动力学，但是其固有的能带结构导致石墨烯较低的光吸收系数，制约了薄层石墨烯在激光器中的应用。而多层石墨烯的高质量生长工艺难度大，厚度以及层数的控制比较难，制备过程中往往会出现膜层分布不均匀，导致非饱和损耗增大，可饱和吸收强度和锁模阈值过高的问题。二维半导体材料以二硫化钼为例，其在光学带隙对应波段具有很强的光吸收能力，但是其光吸收波段为可见光波段，且载流子动力学相对较慢，不适用于红外波段超快脉冲应用。
[0004]近年来，通过分子束外延等生长手段，可以获得数个原子层厚的锗材料，包括半导体锗和锗烯两种同素异形体结构。但是，如何将数个原子层厚的锗材料应用于超快光子学仍然面临一定的挑战，这主要是因为现有技术制备的锗材料，在锗材料的厚度和形态的控制上存在较多技术难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对此前原子层厚可饱和吸收体的光调制深度小和非饱和损耗大的问题，提供了一种基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件及其制备方法。
[0006]本专利技术采用如下技术方案：
[0007]数个原子层厚的锗材料在超快脉冲激光器调Q和锁模中的应用，数个原子层厚的锗材料为5
‑
10个原子层厚。
[0008]进一步地，所述数个原子层厚的锗材料作为可饱和吸收层，进行调Q和锁模，所述
数个原子层厚的锗材料为包括金刚石结构的半导体锗缓冲层以及在此之上生长的六元环形型结构的锗烯，锗烯是一种人工合成的锗的同素异形体，由锗原子以六元环的键合方式构成的具有类蜂窝状晶格的单原子层或多原子层材料。
[0009]进一步地，还包括位于所述可饱和吸收层一侧的基底层，和位于所述可饱和吸收层另一侧的封装保护层。
[0010]进一步地，所述基底层也是反射层。
[0011]进一步地，所述基底层采用用于反射的金(111)、银(111)或铂(111)，平整的金，银，铂表面都可以做反射层。
[0012]进一步地，所述封装保护层是厚度为20
‑
30nm的六方氮化硼薄膜。
[0013]进一步地，所述封装保护层的另一侧还具有折射率匹配层。
[0014]一种基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件的制备方法，
[0015]步骤1)选取金(111)、银(111)或铂(111)晶面作为用于反射的基底层；
[0016]步骤2)将基底层置于高真空样品反应室中(真空度小于5
×
10
‑
11Torr)，在高温下(温度：800℃)，使用氩离子溅射并退火数个周期，清洁基底表面，具体退火周期次数根据基底层的表面清洁度进行增减，以彻底去除表面残留的杂质或有机物。
[0017]步骤3)置入锗靶材，采用分子束外延的方法，在基底表面沉积锗薄膜，生长锗可饱和吸收层，沉积温度为500
‑
550℃。
[0018]步骤4)在可饱和吸收层上干法转移一层厚度为20
‑
30nm的六方氮化硼薄膜作为封装保护层。
[0019]步骤5)将带有封装保护层的可饱和吸收层连同基底层一起置于真空中退火10分钟，温度为550
‑
600℃，使可饱和吸收层与封装保护层贴合一侧的锗薄膜在六方氮化硼薄膜的模板作用下充分地转化为六元环形型结构的锗烯，锗薄膜与基底层贴合的部分形成金刚石结构的半导体锗。
[0020]步骤6)在封装保护层上沉积一层二氧化硅、氧化铝或氟化镁的折射率匹配层，折射率匹配层厚度为50nm以上。
[0021]与现有技术相比，本专利技术基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件及其制备方法的有益效果在于：
[0022](1)厚度为20
‑
30nm的六方氮化硼薄膜作为封装保护层能有效的保护数个原子层厚的锗材料。
[0023](2)数个原子层厚的锗材料厚度为2
‑
3nm，大约5
‑
10个原子层，能够在较宽的红外波段有较强的光吸收率。
[0024](3)光调制深度高，非饱和损耗小。
附图说明
[0025]图1是本专利技术基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件的三层反射结构示意图；
[0026]图2是本专利技术基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件的四层反射结构示意图；
[0027]图3是本专利技术基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件的反射型光纤
锁模激光器的结构示意图；
[0028]图4是本专利技术基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件的实施例一的锁模脉冲输出光谱图；
[0029]图5是本专利技术基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件的实施例一的输出脉冲序列图；
[0030]图6是本专利技术基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件的实施例二的锁模脉冲输出光谱图；
[0031]图7是本专利技术基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件的实施例二的输出脉冲序列图；
[0032]其中：1：基底层；2：可饱和吸收层；2a：六元环形型结构的锗烯；2b：金刚石结构的半导体锗；3：封装保护层；4：折射率匹配层；5：光纤耦合器；6：光栅对；7：偏振分束器；8：输出端口；9：八分之一玻片；10：法拉第旋光器；11：二分之一玻片。右侧光纤光学部分包括单不限于以下器件：12：光纤准直器；13：波分复用器；14：1480nm泵浦源；15：掺铒增益光纤；16：法拉第镜。
具体实施方式
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.数个原子层厚的锗材料在超快脉冲激光器调Q和锁模中的应用。2.一种基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件，其特征在于，采用权利要求1所述的数个原子层厚的锗材料作为可饱和吸收层，进行调Q和锁模，所述数个原子层厚的锗材料包括金刚石结构的半导体锗缓冲层以及在此之上生长的六元环形型结构的锗烯。3.根据权利要求2所述的可饱和吸收器件，其特征在于，还包括位于所述可饱和吸收层一侧的基底层，和位于所述可饱和吸收层另一侧的封装保护层。4.根据权利要求3所述的可饱和吸收器件，其特征在于，所述基底层也是反射层。5.根据权利要求4所述的可饱和吸收器件，其特征在于，所述基底层采用用于反射的金(111)、银(111)或铂(111)。6.根据权利要求3所述的可饱和吸收器件，其特征在于，所述封装保护层是厚度为20
‑
30nm的六方氮化硼薄膜。7.根据权利要求3
‑
6任一条所述的可饱和吸收器件，其特征在于，所述封装保护层的另一侧还具有折射率匹配层。8.一种基于数个原子层厚的锗材料的实用化可饱和吸收器件的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲍小志，鲍桥梁，
申请(专利权)人：南京科耐激光技术有限公司，
类型：发明
国别省市：